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摘 要：倒虹吸管是水利工程重要的输水建筑物，在跨越河道、公路、铁路等障碍物时起到衔接上下游渠道的重要作用。倒虹吸管的设计涉及到的因素比较多，在设计的过程中比较复杂。在平常设计的时候，对于计算的数据一定要经过实际地测量，要考虑到管内流速大小、管径的大小以及厚度，这样才能保证倒虹吸管设计的准确性。
关键词：倒虹吸管;设计;计算
在水利工程建设中，当输水渠道遇到阻碍物时，可采用下埋式或桥管式倒虹吸管。特别是跨越河道时，一般考虑行洪安全，采用下埋式倒虹吸管。常用的由钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土材料制成，也有用混凝土、钢管制做的，主要根据承压水头、管径和材料供应情况来选用。倒虹吸管由进口段、管身段、出口段三部分组成，倒虹吸管的设计包括：管路及进出口布置、管身及镇墩的形式选择、水力计算和结构设计。
一、概述
倒虹吸管（又称反虹管、地龙或地涵）是设置在渠道与河流、谷地、道路相交处的压力输水建筑物，是一种水工交叉建筑物。由于倒虹吸管具有工程量少、施工方便、节约劳动力及三材、造价低等优点，在我国农田水利建设中广泛应用。倒虹吸管按布置方式通常分桥式架空式倒虹吸管和埋式地面式倒虹吸管;按断面形状分圆形、箱形和拱形等;按建筑材料分木质、石质、陶瓷、素混凝土、钢丝网水泥、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、铸铁和钢板等。当渠道与河流、山谷、洼地、道路等障碍物交叉时，修建倒虹吸管从障碍物底部通过，把渠道的水输送到目的地。倒虹吸管输水系统一般由进口段、管身段、出口段三部分组成的。
二、倒虹吸管管路布置及进出口布置
1、倒虹吸管管路布置。倒虹吸管的管路布置常用的有两种竖井式和斜管式两种。其中竖井式使用的场合是压力水头较小、穿越道路的情况。斜管式使用的场合多是压力水头较小穿越渠道、河流的情况。斜管式倒虹吸管的构造简单，而且施工方便，水流条件比较好，在实际的工程中应用的比较多。还有不太常用的曲线型和桥式倒虹吸管。曲线型倒虹吸管使用的场合是岸坡较缓的情况。一般为了减少工程量，管道在地面上就设成曲线型的，但是这种类型的管路可能会因为温度或者抵制的影响而造成管身断裂，发生渗漏危害。桥式倒虹吸管在渠道通过较深的复式断面河道或窄深河谷时，为了减少施工困难，降低滚到承受的大压力水头，简少平水头瞬时或者缩短管道长度，在深槽部位剑桥，劝导设在桥面上或支撑在桥墩上。
2、进出口布置。在倒虹吸管的进口段，应该布置的主要有渐变段、排砂孔、控制阀和沉砂池。其中渐变段是作为上游渠道与进口段的沉砂池的衔接建筑物。排砂孔的作用非常大，它可以将沉砂池的砂定期进行清理排出，也可以将进水阀处漏的水排出。以免在冬天的时候管内，由于有水而发生冻胀，缩短建筑寿命。控制阀的作用就是在渠道不运行的时候，将上游渠道的进水阀中渗透的水控制到沉砂池内，通过排砂孔排出。沉砂池为了避免管道堵塞，将管内内的一些悬移物在沉砂池进行沉淀，然后再通过排砂孔排出。另外，在管的出口段应该布置渐变段和消力池。
三、设计要点
倒虹吸管水力设计的主要任务是通过水力计算选定管道的横断面尺寸与管数以及进出口段各个部分的布置形式、尺寸和有关高程的确定。倒虹吸管设计要点为如下：
1、倒虹吸管的纵向轴线应尽可能与障碍物轴线垂直正交，以便倒虹吸管长度的缩短。
2、应根据具体情况来选用适合的倒虹吸管形式，桥式（架空式）倒虹吸管适用于河面与河滩较宽阔，河床深度较大的情况;埋式（地面式）倒虹吸管适用于河面与河滩较窄，或障碍物面积与深度较小的情况。
3、倒虹吸管一般采用金属管或钢筋混凝土管，管径一般不宜小于200mm。桥式（架空式）倒虹吸管的水平管的长度应依据穿越物的现状和远景发展规划而确定，水平管的底部与规划河面距，不宜小于500mm。遇到冲刷河床应考虑防冲措施。倒虹吸管的上、下行斜管与水平管的交角一般不大于30°。
4、倒虹吸管管内流速一般选择为1.5～2.5m/s，在地形条件较困难时，可以适当降低，但管内流速应大于0.9m/s。当管内流速达不到0.9m/s时，应定期冲洗管内锈蚀和污秽等，保证管面光滑，减小糙率对流速的影响，冲洗流速不得小于1.2m/s。
5、倒虹吸管进口段应布置渐变段、沉砂池、排砂孔和控制闸。渐变段是上游渠道和进口沉砂池衔接建筑物;沉砂池是为避免上游渠道的悬移质流入倒虹吸管内，防止管道的堵塞与磨损，上游渠道的悬移质在沉砂池内沉淀后，通过排砂孔定期排砂，為整个倒虹吸管输水系统长期正常运行起到很大的作用;控制闸是当渠道不运行时，从上游渠道进水闸渗漏的少量水控制在沉砂池段，通过排砂孔排外，非运行期保证倒虹吸管管内无水，这对高原寒冷地区来说非常重要，冬季非运行时期，若管内有余水，管道由于冻胀引起而容易破坏，大大缩短了整个建筑物的寿命。
四、水力计算
1、水力计算。倒虹吸管的水力计算，首先要选择管内的流速，然后根据流速来计算管道直径（D）、上下游的水位差（z）、管流挟沙流速（vnp）、管道的总水头损失（hw）、管流挟沙流速（vnp）、管壁厚度等。当水力计算的结果满足z> hw 与v> vnp 时，说明此时的管内流速是非常合理的。按照水力计算，可以设计出满足生产规范的管道。
（1）进口段
L>（4～5）h;
B≥1.5b;
T≥0.5D+δ+20
H=T+h+△h;
L 渐=（3～5）h;
R=（2.5～4）D。
上式中：L 代表拦沙池的长度;h 表示渠道水深;B 表示拦砂池的宽度;b 表示渠道的底宽;T 表示拦砂池的深度;D 表示管道的内直径;δ表示管壁的厚度;H 表示拦砂池的侧墙高度;△h 表示上游渠道超高;L 渐 表示进口渐变段长度，R 表示进口弯管半径;单位均为m。 （2）管身段管身段的直径：
式中：D 表示的是管径;Q 表示的是引水的流量;v 表示管内流速，一般流速是在1.5～2.5 m/s 的。
当允许存在较大的水面误差是以及含沙水量时，可以取比较大的数值，反之则取比较小的值，倒虹吸管流速在3.5 m/s 以内最好。管壁的厚度计算：
式中，δ表示管壁的厚度;γ表示水的容重;δa 表示降低25%后的钢板许可应用，钢版的应力一般与刚才的屈服强度有关。一般情况下，取值为 1300 kg/cm2。Hp 表示计算水头，吸管的水位差。一般情况下，吸管的水位差不大时，用公式进行计算管壁厚度时，得到的结果会偏小。规定表明，吸管的管壁厚度不能够小于6 mm（如表）：
（3）出口段
出口段消力池的水力计算：
L >（5～6）h;
B≥2b;
T≥0.5D+δ+30
H=T+h+△h;
L 漸=（4～6）h;
R=（2.5～4）D。
式中：L 代表拦沙池的长度;h 表示渠道水深;B 表示拦砂池的宽度;b 表示渠道的底宽;T 表示拦砂池的深度;D 表示管道的内直径;δ表示管壁的厚度;H 表示拦砂池的侧墙高度;△h 表示上游渠道超高;L 渐 表示进口渐变段长度，R 表示进口弯管半径.单位均为m。
（4）水位计算
水位差计算：
式中：Q表示的是引水流量（m3/s）;μ表示的是流量系数，μ取值一般在0.1～0.65之间;A表示的是断面的面积，A=πR2;g表示重力加速度;z是水位差。
管流挟流沙流速计算：
总之，倒虹吸管设计中的难点为下游渠道高程的确定及进水口结构布置，下游渠道高程应根据最大流量确定，进水口最低高程则是由最小流量时进水池内水面跌落值决定，按此原则进行设计，可以确保倒虹吸管前后渠道水面衔接良好，水流畅通，在各种工况均能安全运行。
参考文献
[1]姬栋宇.钢筋混凝土预制倒虹吸管有限元仿真计算[J].水利科技与经济，2016（7）61.
[2]冉贞俊，张传雷.凹型倒虹吸管的设计要点与实例分析[J].水利技术监督，2017，48.
[3]杨 斌.维新渠道倒虹吸管设计与过水能力的复核[J].水利科技与经济，2016，30.
关键词：倒虹吸管;设计;计算
在水利工程建设中，当输水渠道遇到阻碍物时，可采用下埋式或桥管式倒虹吸管。特别是跨越河道时，一般考虑行洪安全，采用下埋式倒虹吸管。常用的由钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土材料制成，也有用混凝土、钢管制做的，主要根据承压水头、管径和材料供应情况来选用。倒虹吸管由进口段、管身段、出口段三部分组成，倒虹吸管的设计包括：管路及进出口布置、管身及镇墩的形式选择、水力计算和结构设计。
一、概述
倒虹吸管（又称反虹管、地龙或地涵）是设置在渠道与河流、谷地、道路相交处的压力输水建筑物，是一种水工交叉建筑物。由于倒虹吸管具有工程量少、施工方便、节约劳动力及三材、造价低等优点，在我国农田水利建设中广泛应用。倒虹吸管按布置方式通常分桥式架空式倒虹吸管和埋式地面式倒虹吸管;按断面形状分圆形、箱形和拱形等;按建筑材料分木质、石质、陶瓷、素混凝土、钢丝网水泥、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、铸铁和钢板等。当渠道与河流、山谷、洼地、道路等障碍物交叉时，修建倒虹吸管从障碍物底部通过，把渠道的水输送到目的地。倒虹吸管输水系统一般由进口段、管身段、出口段三部分组成的。
二、倒虹吸管管路布置及进出口布置
1、倒虹吸管管路布置。倒虹吸管的管路布置常用的有两种竖井式和斜管式两种。其中竖井式使用的场合是压力水头较小、穿越道路的情况。斜管式使用的场合多是压力水头较小穿越渠道、河流的情况。斜管式倒虹吸管的构造简单，而且施工方便，水流条件比较好，在实际的工程中应用的比较多。还有不太常用的曲线型和桥式倒虹吸管。曲线型倒虹吸管使用的场合是岸坡较缓的情况。一般为了减少工程量，管道在地面上就设成曲线型的，但是这种类型的管路可能会因为温度或者抵制的影响而造成管身断裂，发生渗漏危害。桥式倒虹吸管在渠道通过较深的复式断面河道或窄深河谷时，为了减少施工困难，降低滚到承受的大压力水头，简少平水头瞬时或者缩短管道长度，在深槽部位剑桥，劝导设在桥面上或支撑在桥墩上。
2、进出口布置。在倒虹吸管的进口段，应该布置的主要有渐变段、排砂孔、控制阀和沉砂池。其中渐变段是作为上游渠道与进口段的沉砂池的衔接建筑物。排砂孔的作用非常大，它可以将沉砂池的砂定期进行清理排出，也可以将进水阀处漏的水排出。以免在冬天的时候管内，由于有水而发生冻胀，缩短建筑寿命。控制阀的作用就是在渠道不运行的时候，将上游渠道的进水阀中渗透的水控制到沉砂池内，通过排砂孔排出。沉砂池为了避免管道堵塞，将管内内的一些悬移物在沉砂池进行沉淀，然后再通过排砂孔排出。另外，在管的出口段应该布置渐变段和消力池。
三、设计要点
倒虹吸管水力设计的主要任务是通过水力计算选定管道的横断面尺寸与管数以及进出口段各个部分的布置形式、尺寸和有关高程的确定。倒虹吸管设计要点为如下：
1、倒虹吸管的纵向轴线应尽可能与障碍物轴线垂直正交，以便倒虹吸管长度的缩短。
2、应根据具体情况来选用适合的倒虹吸管形式，桥式（架空式）倒虹吸管适用于河面与河滩较宽阔，河床深度较大的情况;埋式（地面式）倒虹吸管适用于河面与河滩较窄，或障碍物面积与深度较小的情况。
3、倒虹吸管一般采用金属管或钢筋混凝土管，管径一般不宜小于200mm。桥式（架空式）倒虹吸管的水平管的长度应依据穿越物的现状和远景发展规划而确定，水平管的底部与规划河面距，不宜小于500mm。遇到冲刷河床应考虑防冲措施。倒虹吸管的上、下行斜管与水平管的交角一般不大于30°。
4、倒虹吸管管内流速一般选择为1.5～2.5m/s，在地形条件较困难时，可以适当降低，但管内流速应大于0.9m/s。当管内流速达不到0.9m/s时，应定期冲洗管内锈蚀和污秽等，保证管面光滑，减小糙率对流速的影响，冲洗流速不得小于1.2m/s。
5、倒虹吸管进口段应布置渐变段、沉砂池、排砂孔和控制闸。渐变段是上游渠道和进口沉砂池衔接建筑物;沉砂池是为避免上游渠道的悬移质流入倒虹吸管内，防止管道的堵塞与磨损，上游渠道的悬移质在沉砂池内沉淀后，通过排砂孔定期排砂，為整个倒虹吸管输水系统长期正常运行起到很大的作用;控制闸是当渠道不运行时，从上游渠道进水闸渗漏的少量水控制在沉砂池段，通过排砂孔排外，非运行期保证倒虹吸管管内无水，这对高原寒冷地区来说非常重要，冬季非运行时期，若管内有余水，管道由于冻胀引起而容易破坏，大大缩短了整个建筑物的寿命。
四、水力计算
1、水力计算。倒虹吸管的水力计算，首先要选择管内的流速，然后根据流速来计算管道直径（D）、上下游的水位差（z）、管流挟沙流速（vnp）、管道的总水头损失（hw）、管流挟沙流速（vnp）、管壁厚度等。当水力计算的结果满足z> hw 与v> vnp 时，说明此时的管内流速是非常合理的。按照水力计算，可以设计出满足生产规范的管道。
（1）进口段
L>（4～5）h;
B≥1.5b;
T≥0.5D+δ+20
H=T+h+△h;
L 渐=（3～5）h;
R=（2.5～4）D。
上式中：L 代表拦沙池的长度;h 表示渠道水深;B 表示拦砂池的宽度;b 表示渠道的底宽;T 表示拦砂池的深度;D 表示管道的内直径;δ表示管壁的厚度;H 表示拦砂池的侧墙高度;△h 表示上游渠道超高;L 渐 表示进口渐变段长度，R 表示进口弯管半径;单位均为m。 （2）管身段管身段的直径：
式中：D 表示的是管径;Q 表示的是引水的流量;v 表示管内流速，一般流速是在1.5～2.5 m/s 的。
当允许存在较大的水面误差是以及含沙水量时，可以取比较大的数值，反之则取比较小的值，倒虹吸管流速在3.5 m/s 以内最好。管壁的厚度计算：
式中，δ表示管壁的厚度;γ表示水的容重;δa 表示降低25%后的钢板许可应用，钢版的应力一般与刚才的屈服强度有关。一般情况下，取值为 1300 kg/cm2。Hp 表示计算水头，吸管的水位差。一般情况下，吸管的水位差不大时，用公式进行计算管壁厚度时，得到的结果会偏小。规定表明，吸管的管壁厚度不能够小于6 mm（如表）：
（3）出口段
出口段消力池的水力计算：
L >（5～6）h;
B≥2b;
T≥0.5D+δ+30
H=T+h+△h;
L 漸=（4～6）h;
R=（2.5～4）D。
式中：L 代表拦沙池的长度;h 表示渠道水深;B 表示拦砂池的宽度;b 表示渠道的底宽;T 表示拦砂池的深度;D 表示管道的内直径;δ表示管壁的厚度;H 表示拦砂池的侧墙高度;△h 表示上游渠道超高;L 渐 表示进口渐变段长度，R 表示进口弯管半径.单位均为m。
（4）水位计算
水位差计算：
式中：Q表示的是引水流量（m3/s）;μ表示的是流量系数，μ取值一般在0.1～0.65之间;A表示的是断面的面积，A=πR2;g表示重力加速度;z是水位差。
管流挟流沙流速计算：
总之，倒虹吸管设计中的难点为下游渠道高程的确定及进水口结构布置，下游渠道高程应根据最大流量确定，进水口最低高程则是由最小流量时进水池内水面跌落值决定，按此原则进行设计，可以确保倒虹吸管前后渠道水面衔接良好，水流畅通，在各种工况均能安全运行。
参考文献
[1]姬栋宇.钢筋混凝土预制倒虹吸管有限元仿真计算[J].水利科技与经济，2016（7）61.
[2]冉贞俊，张传雷.凹型倒虹吸管的设计要点与实例分析[J].水利技术监督，2017，48.
[3]杨 斌.维新渠道倒虹吸管设计与过水能力的复核[J].水利科技与经济，2016，30.