倒虹吸管的水力计算
倒虹吸水力计算
校核最小流量
vmin=Q小/w(vmin>1.2m/s)
0.138 0.075 40.000 0.009 0.750 0.184 0.484 0.400 1.098 0.126
0.100
75.699
0.014 0.084 0.500 0.000 0.000 0.100 75.000 0.760 0.000 0.000 0.000 9.000 0.014 0.100 0.000 0.600 0.037 0.121
谢才系数（手册第一册 p7/c2
沿程水头损失（m） hf＝λL*v2/(4R*2g)
(2)局部水头损失 ζj进口（查表3-3）
ζ门槽（单个为0.2）共两个
拦污栅栅条厚度s（m）
拦污栅间距b（m）
拦污栅的水头损失 拦污栅与水平面夹角a（度） 栅条形状系数β（查表3-5）
0.138 0.596
倒虹吸水力计算
1、初拟管道直径
设计流量Q(m3/s)
最小流量Qmin(m3/s)
倒虹吸总长度L(m)
材料糙率n
初选流速v'(m/s)
初选过水断面面积w'(m2)
初选管道直径D'(m)
倒虹管直径
确定出管道直径D(m)
设计流速v(m/s)
相应过水断面面积w(m2)
2、水头损失
（1）沿程水头损失
水力半径（m） R=D/4
ζ拦污栅＝β（s/b）4/3sina
弯道损失ζ弯道（查表3-7）
ζ旁通管（单个为0.1）共两个
明渠的断面面积（m2） w渠
w管/w渠
ζ出口（查表3-4）
ζ通气孔（《水力计算手册表1-3-4》）
总局部水头损失系数∑ζj
倒虹吸流量计算举例(精)
1 = =0.509 0.716 2.36 0.78
水力分析与计算
故倒虹吸管型式、尺寸及布设满足 设计过流能力要求。
小结、布置任务
小结：
1. 流量计算公式中各物理量理解、确定 2. 局部损失系数理解、确定
水力分析与计算
倒虹吸管过流能力校核
案例：
某水库干渠工程与河流相交。由于洪水位过高，拟建倒虹吸管 。其设计基本数据如下： 设计流量Q=7.17 m3/s；倒虹吸进口前设 拦污栅，管段有两弯段转角，第一、第二弯段转角均为30°急转弯 管；上下游渠道断面相同，底宽b=2.4m，边坡系数m=1.5，糙率 n=0.025，设计流量时水深h0=2.1m，进口渐变段末端底宽为4.5m ，拟设计双排管，管径1.7m，试校核渠道过流能力。
2
v Q / A 7.17 / 2 / 2.27 1.58m / s
1.582 z 2 0.716 2.36 0.78 0.491m 19.6
倒虹吸管过流能力校核
案例计算：
（2）流量系数计算 （3）流量计算
1 2 gLi A2 A2 A2 i A2 C 2 R A2 1 A2 i i i i 2
水力分析与计算
倒虹吸管过流能力校核
案例分析：
1.流量计算公式
Q A 2g z2
A 2 2 gL A 2 A2 v2 i z2 i 2 1 2 A Ci Ri Ai A2 2 g i
2'
水力分析与计算
倒虹吸管过流能力校核举例
主 讲 人： 王勤香
倒虹吸管过流能力校核举例讲义
z
2
0.716
2.36 0.781.582
19.6
0.491m
案例计算：
倒虹吸管过流能力校核
（2）流量系数计算
பைடு நூலகம்（3）流量计算
1
i
A2 Ai2
2gLi Ci2 Ri
gAAi22
1
A2 A22
=
1
=0.509
0.716 2.36 0.78
水力分析与计算
Q A 2gz2 0.5092.27 19.60.4912 7.17m3 /s
2gLi Ci2 Ri
gAAi22
1
A2 A22
水力分析与计算
A、 Ai—管道出口断面及计算管段断面
面积；
ζi——为管道某一局部能量损失系数， 不包括管道出口处但包括管道进口处；
Ci、Ri、Li——分别为管身计算段水流 的谢才系数、水力半径和管长。
倒虹吸管过流能力校核
案例计算：
（1）倒虹吸进出口水面落差值Δz2
水力分析与计算
案例：
倒虹吸管过流能力校核
某水库干渠工程与河流相交。由于洪水位过高，拟建倒虹吸管
。其设计基本数据如下： 设计流量Q=7.17 m3/s；倒虹吸进口前设 拦污栅，管段有两弯段转角，第一、第二弯段转角均为30°急转弯 管；上下游渠道断面相同，底宽b=2.4m，边坡系数m=1.5，糙率 n=0.025，设计流量时水深h0=2.1m，进口渐变段末端底宽为4.5m ，拟设计双排管，管径1.7m，试校核渠道过流能力。
ζ拦=1.83×(1.6/18)4/3sin80°=0.072
拦
A2 A22
倒虹吸水力计算——公式
序号
计算参数
1 初拟管道直径 1.1 设计流量
1.2 最小流量 1.3 倒虹吸总长度 1.4 材料糙率 1.5 初选流速 1.6 初选过水断面面积
1.7 初选管道直径 1.8 确定管道直径D 1.9 设计流速
#### 相应过水断面面积
2 水头损失
2.1 沿程水头损失
22..11.. 22.1. 3
hf
L V2 D 2g
ζj进口
ζ拦污栅＝β（s/b） 4/3sina
拦污栅栅条厚度
s
m
拦污栅间距
b
拦污栅与水平面夹角 α
栅条形状系数
2.2. 32.2. 4
闸槽损失系数 弯道损失
β ζ门槽 ζ弯道
2.2. 5
管道入明渠损失系数
ζ出口
w渠
w管/w渠
ζ出口（查表3-4）
2.2. 6 2.2. 7
ζ通气孔（《水力计算手册表
5.1 流量系数
Q小 Vmin V允
m
5.2 设计流量
Q设
m
hj
V2 2g
m
hw hf hj
m
m3/s m/s m/s
vmin=Q小/w
m
1
L / D
m3/s
Q mA 2gZ
0.608 0.754 0.850 0.754
5.000 1.592
1.20
0.827 9.99
水力半径 谢才系数 能量损失系数
沿程水头损失
2.2 局部水头损失
2.2. 1
进口损失系数
2.2. 2
拦污栅损失系数符号Fra bibliotek单位Q
m3/s
Qmin m3/s
倒虹吸水面落差计算.
z z1 z2 z3
方头形 直线扭曲面形
（1）倒虹吸进口水面降落值Δz1
v22 v12 z1 (1 1 ) 2g
v1、v2——分别为进口渐变段首、末端断面平均流速； ζ1——进口渐变段局部水头损失系数，查表确定
水力分析与计算
倒虹吸水面衔接分析计算
案例分析： 2.水面落差△z计算
水力分析与计算
倒虹吸管水面衔接分析计算
主 讲 人： 王勤香 黄河水利职业技术学院
2014.10
水力分析与计算
水力分析与计算
倒虹吸水力分析与计算
一、倒虹吸管水力分析
△z
1
△z
2
△z
3
z z1 z2 z3
二、倒虹吸管水力计算内容
（1）选择适宜的流速，确定管径； （2）已知管径、管道布设，校核过流能力； （3）确定下游渠道水位和渠底高程（求水面总落差）。
渐变段型式 反弯扭曲面形 1/4圆弧 方头形 直线扭曲面形
ζ1 0.1 0.15 0.3 0.05~0.3
ζ2 0.2 0.2 0.7 0.3~0.5
z z1 z2 z3
（2）倒虹吸出口水面上升值Δz3 v3、v4——出口渐变段首、末端断面平均流速 ζ2——出口渐变段局部水头损失系数 v42 z3 (1 2 ) 2g
倒虹吸水面衔接分析计算
案例分析：
（3）倒虹吸进出口水面落差值Δz2
A 2 2 gLi A 2 v2 v2 v22 z2 i ( ) 2 ( ) Ci Ri Ai 2g 2g Ai
2'
2'
A 2 2 gL A 2 A2 v2 i A、 Ai—管道出口断面及计算管段断面面积； z2 i 2 1 2 A Ci Ri Ai A2 2 g i
倒虹吸管的水力计算
其他各种预制管 一般是按照设计要求，选用厂家生产的各种定型产 品而不单独进行结构计算。
28 | 倒虹吸管
镇墩
荷 载：
镇墩自重、水管在转弯段由内水压 力引起的轴向力、管道弯曲段水流 离心力及水重、土压力等。由管道 传给镇墩上的荷载有：管道自重、 管内水重、管道上填土压力、管道 摩擦力、河道水面以下管道浮力、 水流对管壁的摩擦力以及因温度影 响而产生的轴向力等。
21 | I倒虹吸管
22 | 倒虹吸管
倒虹吸管管径根据选定的流速按下式计算确定：
D 4Q v
式中
D—管径（m）； Q—流量（m3/s）； V—流速（m/s）。
23 | 倒虹吸管
倒虹吸管的输水能力按压力流计算，其计算公式为：
QmA 2gz
式中
Q—流量（m3/s）； A—倒虹吸管的断面积（m2）； Z —上、下游水位差（m）； μ—流量系数。
镇墩为重力式结构，靠自重维持 其稳定。对于结构计算，主要应 验算基础承载力和验算抗滑、抗 倾覆的稳定性。
镇墩除验算基础应力外，对墩身 亦应选择危险断面验算其最大及 最小应力。
29 | 倒虹吸管
谢谢大家！
倒虹吸管总的水头损失按下式计算：
hw ( 0
l ) v2
D 2g
24 | 倒虹吸管
式中 0 -出口损失系数 ； -局部损失系数总和； l -沿程摩擦损失系数；
D
倒虹吸管的结构计算
荷 载： 管身自重、管内水重、土压力(铅直土压力和水平土压力)，内 水压力、外水压力、管道弯曲段水流离心力、地面荷载、地 基支承反力、由于温度变化和混凝土干缩引起的内力以及地 震荷载等。
倒虹吸水力计算
低高度P2 b2
高度P3
0.1
2.65
1
20
9.81
0.5
0.6
0.5
备注：各个 损失系数的 选取已经隐 1、进出口渐 变段损失系
进口渐变段损失系数ζ1 出口渐变段损失系数ζ2
0.15 0.2
水力计算手册第二版
灌溉与排水工程设计规范
2、拦污栅局 部水头损失 系数
s
b
0.03
0.1
α
β
拦污栅局部水头损失系数ζ3
上游渠道断 面参数
进口断面参 平均断面参
A
0.1746
0.4746 0.3246
χ
1.182
2.182 1.682
R
C
V
J
Z1
0.147716 55.927805 0.630011
\
\
0.217507 59.653438 0.231774
\
\
0.182611 57.790622 0.430893 0.00030444 -0.0201159
90
0
0
水力计算手册第二版
3、门槽局部 水头损失系
门槽局部水头损失系数ζ4
0.2 水力计算手册第二版
4、进口局部 水头损失系 数（也可以 查询旧版水 工设计手册
进口局部水头损失系数ζ5
0.2 水力计算手册第二版
5、弯道局部
水头损失
序号 缓弯管 急弯管
θ
d
R
1
#DIV/0! 0.1233024 38
0.15
0
上游渠道
下游渠道
水流动力粘 挟沙水流含
水深h1 底宽b1 边坡系数 水深h4 底宽b4 边坡系数 性系数μ 沙量ρ
第六节 渠系建筑物-倒虹吸管
第六节渠系建筑物-倒虹吸管倒虹吸管是设置在渠道与河流、山沟、谷地、道路等相交处的压力输水建筑物。
它与渡槽相比，具有造价低、施工方便的优点，但水头损失较大，运行管理不如渡槽方便。
一、倒虹吸管的布置和构造（一）管路布置根据管路埋设情况及高差大小，倒虹吸管的布置形式可分为以下几种：●竖井式：多用于压力水头较小穿越道路的倒虹吸。
这种形式构造简单、管路短。
进出口一般用砖石或混凝土砌筑成竖井。
竖井断面为矩形或圆形，其尺寸稍大于管身，底部设0.5m深的集沙坑，以沉积泥沙，并便于清淤及检修管路时排水。
管身断面一般为矩形、圆形或其它形式。
竖井式水力条件差，施工比较容易，一般用于工程规模较小的倒虹吸管。
●斜管式：多用于压力水头较小，穿越渠道、河流的情况。
斜管式倒虹吸管构造简单，施工方便，水力条件好，实际工程中常被采用。
●曲线式：当岸坡较缓时，为减少施工开挖量，管道可随地面坡度铺设成曲线形。
管身常为圆形的混凝土管或钢筋混凝土管，可现浇也可预制安装。
管身一般设置管座。
在管道转弯处应设置镇墩，并将圆管接头包在镇墩内。
为了防止湿度引起的不利影响，减小温度应力，管身常埋于地下，为减小工程量，埋置不宜过深。
●桥式倒虹吸管：当渠道通过较深的复式断面或窄深河谷时，为降低管道承受的压力水头，减小水头损失，缩短管身长度，便于施工，可在深槽部位建桥，管道铺设在桥面上或支承在桥墩等支承结构上。
桥下应有足够的净空高度，以满足泄洪要求。
在通航河道上应满足通航要求。
（二）进出口布置1．进口段的形式和布置进口段包括进水口、拦污栅、闸门、启闭台、进口渐变段及沉沙池等。
进口段的结构型式，应保证通过不同流量时管道进口处于淹没状态，以防止水流在进口段发生跌落、产生水跃而使管身引起振动。
进口具有平顺的轮廓，以减小水头损失，并应满足稳定、防冲和防渗等要求。
2．出口段的形式和布置出口段包括出水口、闸门、消力池、渐变段等。
其布置形式与进口段相似。
为使出口与下游渠道平顺连接，一般设渐变段，其长度常用用4～6倍的渠道设计水深。
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倒虹吸管的水力计算倒虹吸水力计算(钢管D=1.8m)
1、初拟管道直径
设计流量Q 6.710
倒虹吸总长度L 334.410
材料糙率n 0.012
初选流速v' 2.650
初选过水断面面积w' 2.532
初选管道直径D' 1.796
确定出管道直径D 1.800
设计流速v 2.637
相应过水断面面积w 2.543
2、水头损失R=D/4 0.450
(1)沿程水头损失
2λ=8g/c 0.015
2 hf,λL*v/(4R*2g) 0.971
(2)局部水头损ζ0.250 j进口失
ζ0.100门槽
拦污栅栅条厚度s 0.030
拦污栅间距b 0.100
拦污栅与水平面夹角a 80.000
栅条形状系数β0.760
ζ,β(s/b)sina 0.150拦污栅
弯道损失:ζ弯道0.324 =0.073+0.073+0.073+0.071+0.034 ζ0.100旁通管(单个为0.1)
w 9.560渠
w/w 0.266管渠
ζ0.540出口
ζ0.100进人孔
总局部水头损失系数?ζj 1.564
2总局部水头损失hj,?ζv/2g 0.554 j
总水头损失z,hj+hf 1.525
允许水头损失1.990
0.53、校核流量Q,w(2gz)/(λL/D+?ζ) 6.707 j
所选管径能满足要求
倒虹吸水力计算(预应力砼管D=1.8m)
1、初拟管道直径
设计流量Q 6.710
倒虹吸总长度L 334.410
材料糙率n 0.015
初选流速v' 2.650
初选过水断面面积w' 2.532
初选管道直径D' 1.796
确定出管道直径D 1.800
设计流速v 2.637
相应过水断面面积w 2.543
2、水头损失R=D/4 0.450
沿程水头损失C=R/n 58.359
2λ=8g/c 0.023
2 hf,λL*v/(4R*2g) 1.517
(2)局部水头损失ζ0.250 j进口
ζ0.100门槽
拦污栅栅条厚度s 0.030
拦污栅间距b 0.100
拦污栅与水平面夹角a 80.000
栅条形状系数β0.760
ζ,β(s/b)sina 0.150拦污栅
弯道损失:ζ弯道0.324 =0.073+0.073+0.073+0.071+0.034 ζ0.100旁通管(单个为0.1)
w 9.560渠
w/w 0.266管渠
ζ0.540出口
ζ0.100进人孔
总局部水头损失系数?ζj 1.564
2总局部水头损失hj,?ζv/2g 0.554 j
总水头损失z,hj+hf 2.071
允许水头损失1.990
所选管径不能满足要求
倒虹吸水力计算(预应力砼管D=1.9m) 1、初拟管道直径
设计流量Q 6.710
倒虹吸总长度L 334.410
材料糙率n 0.015
初选流速v' 2.650
初选过水断面面积w' 2.532
初选管道直径D' 1.796
确定出管道直径D 1.900
设计流速v 2.367
相应过水断面面积w 2.834
2、水头损失R=D/4 0.475
沿程水头损失C=R/n 58.888
2λ=8g/c 0.023
2 hf,λL*v/(4R*2g) 1.137
(2)局部水头损失ζ0.250 j进口
ζ0.100门槽
拦污栅栅条厚度s 0.030
拦污栅间距b 0.100
拦污栅与水平面夹角a 80.000
栅条形状系数β0.760
ζ,β(s/b)sina 0.150拦污栅
弯道损失:ζ弯道0.324 =0.073+0.073+0.073+0.071+0.034 ζ0.100旁通管(单个为0.1)
w 9.560渠
w/w 0.296管渠
ζ0.540出口
ζ0.100进人孔
总局部水头损失系数?ζj 1.564
2总局部水头损失hj,?ζv/2g 0.447 j
总水头损失z,hj+hf 1.584
允许水头损失1.990
0.53、校核流量Q,w(2gz)/(λL/D+?ζ) 6.707 j
所选管径能满足要求
倒虹吸水力计算(预应力砼管D=2.0m)
1、初拟管道直径
设计流量Q 6.710
倒虹吸总长度L 334.410
材料糙率n 0.015
初选流速v' 2.650
初选过水断面面积w' 2.532
初选管道直径D' 1.796
确定出管道直径D 2.000
设计流速v 2.136
相应过水断面面积w 3.140
2、水头损失R=D/4 0.500
沿程水头损失C=R/n 59.393
2λ=8g/c 0.022
2 hf,λL*v/(4R*2g) 0.865
(2)局部水头损失ζ0.250 j进口
ζ0.100门槽
拦污栅栅条厚度s 0.030
拦污栅间距b 0.100
拦污栅与水平面夹角a 80.000
栅条形状系数β0.760
ζ,β(s/b)sina 0.150拦污栅
弯道损失:ζ弯道0.324 =0.073+0.073+0.073+0.071+0.034 ζ0.100旁通管(单个为0.1)
w 9.560渠
w/w 0.328管渠
ζ0.540出口
ζ0.100进人孔
总局部水头损失系数?ζj 1.564
2总局部水头损失hj,?ζv/2g 0.364 j
总水头损失z,hj+hf 1.229
允许水头损失1.990
0.53、校核流量Q,w(2gz)/(λL/D+?ζ) 6.707 j
所选管径能满足要求
管壁确定:
管壁厚度公式计算:
50HD,,,,,,
式中δ—管壁厚度(mm)
H—包括水击压力值的设计水头(m);
D—钢管内径(m);
2 [σ]—钢材允许应力，[σ]=0.55σ×75% (kg/cm), s
2σ=2400kg/cm;s
φ—接缝坚固系数，φ取0.9。
经计算，钢管计算厚度为12mm，再加上2mm的锈蚀及磨损厚度，钢管能满足结构强度要求，故选择壁厚为δ=14mm的钢管。
钢管管壁厚度除应满足强度要求外，还需满足稳定性要求，管壁维持稳定的最小厚度为:
D,,130
对于φ1800管径
1800,,14,,13.84130
故所选壁厚满足抗外压稳定要求，即钢管在外部压力作用，若管内出现负压也不会失稳。