倒虹吸管设计计算.docx

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倒虹吸管设计计算

倒虹吸管设计计算

一、倒虹吸管总体布置（根据地形和当地需水量情况确定）

1•布置原则；P13

2•布置型式；｛地面式（露天或浅埋式）、架空式｝

3•管路布置；（斜管式和竖井式）

4•进口段布置；｛渐变段、拦污栅、节制闸、连接段（进水口、通汽孔）、沉沙、冲沙及泄水设施｝

5•出口段布置；（设消力池）

二、倒虹吸管的构造

1.管身构造；（钢筋混泥土管、钢管、铸铁管）

2•支承结构；（管座、镇墩、支墩）

三、倒虹吸管的水力计算

1.管道断面尺寸的确定；

1灌溉面积的确定：

（根据土地利用参加够调整表查出

整理后土地的灌溉面积。

）

2补水量的计算：

项目区水田和旱地需水量除去项目区降雨量即为需补给

水量。

项目区分为水田和旱地，主要农作物为水稻、玉米、

油菜，各种农作物所在区需水量不同。

根据贵州省《灌溉用水定额》编制分区图：

项目区属I区，灌溉定额根据贵州省

灌溉用水定额编制I区水稻净定额为270m3/亩，毛灌溉定额

为644m3/亩

需水量公式

W需二M毛An

叫一一农业生产总需水量，m3；

M毛--综合毛灌溉定额，m3；

A——灌溉面积，亩；

n——农作物复种指数，采用综合灌溉定额时，已经考虑了复种指数，可不再计入。

M净--作物净灌溉定额，m3/亩；

--灌溉水利用系数。

I区渠系水利系数为0.465;田间水利用系数为0.95,故灌溉水利用系数为0.465X0.95得0.44。

3.流量计算

根据当地全年水田需水量表、旱地需水量表和全年降雨量表查出全年需水量和降雨量的最大值和最小值，计算出最大补水量和最小补水量，以推出其流量。

4.确定尺寸；

Do=J4Q/—（圆管）

设计流速，m/s。

2•管壁厚度的拟定

管壁中环向拉应力为

以钢材的设计允许应力M弋替

m。

初估计时水锤压力值按静水头

内水压力，

的15%〜30%o高水头取大值，低水头取小值;

焊缝系数，一般为0.90〜0.95,双面对接焊缝

取0.95，单面对接取0.90;

钢材的允许应力上'

应力区

域

荷载组

膜应力区

局部应力区

备注

基本特殊

基本

特殊

-s为钢材屈服强

产生应

力的内

力

轴力

轴力

轴力和

弯矩

轴力

轴力和弯矩

允许应力

明钢管地下钢管坝内埋管

0.7

0.5560.9

0.67；二

0.67J

（0.8

0.9）

0.67

-s

0.850.8

1.

0

3.水头损失计算

总水头损失等于沿程水头损失与局部水头损失之和;

Vj）Vg

管道长度，m;

各局部阻力系数之和，

4.

能量方程

5.进出口渐变段长度计算

L=C（BiB2）①

L二C〔h②

C、Ci系数；

Bi――渠道水面宽度，m;

B2――渐变段缩窄端水面宽度，m；

h――上、下渠道水深，m

6•进口沉沙池段面尺寸计算

池内水深H=h•T

T=0.5D。

200（mm）

h——进口渠道水深，m;

T进口渠底至沉沙池底的高差，m;

池宽

Q——渠道设计流量，m3/s；

沉沙池内平均流速，m/s;

管壁厚度,mm;

Do管道内直径,mm;

'L'H

池长度L-KL（L二

o

K――安全系数；

L'――泥沙沉降的水平长度；

o――泥沙沉降速度，m/s。

注：

L、B可根据经验有：

L＞（4〜5）h

B＞（4〜5）b

h、b分别为渠道的水深和底宽。

7.出口消力池尺寸确定

按经验公式：

L=（3〜4）h

T=0.5D°++0.3

消力池以后的护底长一般采用3〜5m。

8.通过小流量时进口水跃的处理：

（P50）

9.通过加大流量时计算挡水墙顶对进口雍水位的超

咼；（P52）

四、倒虹吸管的结构计算

1.土压力（上埋式管土压力）

单位长度竖向土压力Gb为：

G昇KsHDi

H――管顶以上填土高度;

s――填土容重；

Di

管的外径，矩形管为外形宽度；

K

系数，查表，

对于柔性管K=1.0。

H/D1

A

0.1

0.51.02.0

3.0

4.05.06.07.0

8.0

9.0“

10

1.0

1.21.41.4

1.5

1.41.41.31.3

1.2

1.21.1

K

4

005

0

5050

5

05

2•地面活荷载产生的竖向压力

①.敷设在公路下1m的压力管道还受汽车压力和拖拉机

压力；

G汽二fkQ汽D1（kN/m）

动力系数，查表;

Q汽一一加重汽车作用于管道上的竖向荷载，查表;

Di管道外径，m

动力系数fk表

填土深度

0.3

0.4

0.5

0.6A0.7

fk

1.25

1.20

1.15

1.051.0

Q汽值

（kN/

m2）

表

填

土

厚度

H（m）

汽车荷载c口

0.5

0.75

1.0

1.5

2.0

3.04.05.0

8.0

汽车-10级

69.0

43.5

25.1

16.8

12.9

8.9

6.8

4.6

3.4

汽车-13级

87.6

49.5

37.7

22.9

17.7

12.1

9.2

6.2

4.7

汽车-18级

170.5

96

73.3

44.3

34.3

23.5

18.6

12.1

9.6

②.拖拉机压力；

G拖二fkQ拖D1（kN/m）

Q拖一一履带式拖拉机作用于管道的竖向压力（kN/

itf）查表;

Q拖值（kN/mJ表

拖拉机

填土厚度

H（m）

吨位

0.5

0.75

1.0

1.5

2.0

3.0

4.0

6.0

8.0

60t

47

38.3

32.3

24.7

21.2

17.8

15.0

11.7

9.6

80t

88.4

63.2

53.9

41.6

36.3

30.3

25.9

20.2

16.5

3.其他荷载计算

①.管内水重

P厂r°（「cos）

.――水的重度,kN/m3；

r。

圆管内半径,m;

①——垂直直径之夹角。

2”

当冲满水时Prr。

■-

②•管道的均匀内水压力

H――管内顶部以上水头;

4.管道外水压力

不均匀外水压力计算

Pek=e」（1-COS）（圆管）

ri圆管外半径；（巳3）

e――外水压力折减系数，查表4-11；（P84）五、倒虹吸管镇墩的计算

㈠直接作用于镇墩上的荷载；

⑴由均匀内水压力产生的轴向力

作用在弯管段起始段面和末端断面的轴向压力分别为;

Ap二口出D：

/4

Ap二mH2D；/4

Hi、H2――分别为弯管段起始及末端断面中心处的

水头；

⑵弯管段水流离心力；

m弯管段水体的质量（m二Gw/g）；

a――离心加速度（a「2/R）；

Gww弯管内水体重力，（Gww=（二D；/4）wl•）；

9——弯管段的中心角（日二日"）；图148页。

g——重力加速度，m/s;

R――弯管中心线弧长；可近似用弦长忑BC来代替，｛lw二AB2Rsine/2）｝；

⑶镇墩自重力及镇墩内水重力

确定其形式尺寸后可算出自重和内水重力；

⑷作用于镇墩上的水平土压力

E厂h；KaB/2「D；cos='h,Ka/4（kN）

cp

Ka主动土压力系数Ka二tg2（45'-？

）；

B——镇墩垂直水流方向宽度，m;

h1――斜管段管端断面中心线至填土顶面高度，

m;

h2——镇墩底面至填土顶面高度，m;

cp

――土的内摩擦角。

注：

土的重度和内摩擦角值见表5-14。

（P149）

㈡通过管身传给镇墩的荷载

1.镇墩上侧斜管传给镇墩的力

⑴管身自重

G厂DcL'

轴向分力

Ac=G；sn'

垂直管轴的分力

Nc二Gccos=

L镇墩上侧斜管段长度，m;

⑵内水重力

gs…r°l

垂直分力

N二Gcos

⑶道上的浮力

G；…

轴向分力

Af二Gfsn

垂直分力

Nf二Gfcos

m;

l'——在水位以下的斜管轴线长度，

⑷管道填土压力

（FkFJL

轴向分力

II!

=Gysin日

竖向分力

=Gcos=

⑸管身摩擦力

不动。

）

2•镇墩下侧斜管传给镇墩的荷载

所计算力与以上公式一样；（P52）（图R50）

㈢墩身稳定计算

1•镇墩与两侧管端刚性连接

当「，上侧斜管下滑力大于摩擦力，这时可将所

有作用力转化为力a'及a"，再求其总和。

轴向力总和在x在轴上的分力为

'x八x'x八Acost'acost

轴向力总和在y轴上的分力

'y='yvy"='a'sin丁、A"sin丁"

-x及x"――分别为镇墩上游侧及下游侧水平分力的总和，kN;

-y及y"――分别为镇墩上游侧及下游侧竖向分力的总和，kN。

将x和y代人下式

Kc――镇墩的抗滑安全系数；对钢管可取1.5；

E——侧向土压力，kN;

f——镇墩与地基之间的摩擦系数；

G――为镇墩自重力（Gz）及镇墩内水重力（Gz.）之和；

G=GZGZ（kN）

31

G^-DO（R2b）

4

b――弯管段起点、终点至直管管端长度；

2.镇墩与两管端柔性连接

3.镇墩上侧与管端为钢性连接下侧为柔性连接

㈣地基强度和稳定计算

一般基础底面都做成矩形的，故地基的最大和最小力

为：

CF

max

M总力矩，kN•m,是x、ay、和G、E等

各力对镇墩底面形心Oi点力矩的总和；（图只53）

B、L——分别为镇墩底面的宽度和长度，m;

匕1地基的许可承载力，kN/m2,见下表；

地基名称

中等坚硬岩石

软弱岩石

稍湿的粘性土

很湿的粘性土

稍湿的砂壤土

很湿的砂壤土

地基的许可承载力

许可承载力（kN/m2）

1200〜2000

800〜1200

200〜400

100〜200

300〜400

200〜300

1.钢制倒虹吸管镇墩计算步骤

⑴作用在钢制倒虹吸管镇墩上各个力的计算；按照表

6-2所列的A1、A2、A、A、A、A、A诸轴向力同时

作用下，取最不利的情况设计（一般以温度升高、管内

充水为控制条件）。

（R75）

计算中、小型钢制倒虹吸管镇墩时，也可仅取其中起主要作用的A、A、A三力即可。

算出各力且注意各力对镇墩中心的方向。

⑵将各轴向力叠加并分解为水平分力和竖向分力。

⑶求镇墩的体积和校核地基的承载力。

2•钢管支墩的计算步骤

⑴计算作用在支墩上的力。

作用在支墩上的力有：

垂直于管道轴线方向的管自重

力ns和水重力n①（表6-2第10、11号公式R75），管传给支墩的摩擦力A8（表6-2第9号公式）及支墩自重力gzd

⑵分解总作用力为水平分力。

各力在x轴上的水平分力为

x…九cos-（nsn）sin二

沿y轴的竖向分力为

y=一Asin丁（nsn）cos丁

A8――支墩对钢管的摩擦力；

注：

当温度升高管道向上伸长时，作用在支墩上的摩擦力a6朝向管道上端，取负号。

当温度降低管道向下缩短时，作用于支墩上的摩擦力36朝向管道下端，取正号。

⑶校核支墩抗滑稳定。

计算时根据对稳定最不利情

况取用a6为正号或负号

-1.5

〔-fsin^（n「n）cos丁gzJf。

-Acos-（nsn）sin二

六、露天式钢管结构计算

1.管壁应力计算

⑴径向力作用产生的管壁应力

管壁环向拉应力

PsDo

Do钢管内径，mm;

钢管壁厚度，mm；

⑵轴向力作用产生的管壁应力。

断面积F为

F二D

得轴向应力计算公式

'N'N

CT==

xF2r

D――平均直径，mm;r平均半径，mm。

为负值，则为压应力

⑶法向力作用产生的管壁应力

W――钢管环行断面抵抗矩;

M――法向力产生的弯矩

r。

一一钢管内半径。

断面剪应力

QS2Q.a

x-sin^

JbF

Q――钢管横断面上的剪力，跨端支墩两侧各等于

G

y,{G=（Gs•G.,）lcos>；I:

支墩间距；〉水平倾斜角度；}跨中断面G为零；

S――管壁计算点以外部分断面对重心轴的静

2

矩，Sl二2rsi；

J――管断面惯性矩，J二；

b――受剪断面净宽度，b=2；

F钢管断面积，F二2P；

——钢管横断面，（图P79）沿日角变化的环向剪

应力；当"=0和180时，=0;当二=90和270时，

2Q

x一—，为最大剪应力。

3.钢管壁强度的校核

按应力圆原理，其最大剪应力max应满足

校核管壁应力的公式

狀x-二y）4xy上1

钢材允许应力。

第三强度理论校核钢管壁强度，

二厂-S）2-I-=0）

匚xrr）2•4鳥…1（八90）

J-F）2+4：

异fc】（8=180）

根据畸变能理论得到的三向应力状态一般情况的合成

CT=

0

应力公式

我国SD144――85《水电站压力钢管设计规范》中

给出了上式中规定满足强度条件

CT<[ff]

1

二2-'''丨；「I

――焊缝系数，其值为0.9〜0.95,工程级别越

高，焊缝检查越严格，则焊缝系数越大；

七I为相应计算工况的钢材允许应力。

《规范》

规定，地面钢管在基本荷载组合条件下，

」=0.55二

二s为屈服点；考虑局部应力时，可提高到七」=0.67二s

七、加径环与支承环旁管壁的应力计算

一、加径环与加径环旁管壁应力分析加劲环每侧管段的影响长度

t=、「7.78\

43（1」2）

总体过程（R84-199）

主要设计规范

（1）SDJ20――78《水工钢筋混凝土结构设计规范》；

（2）SL/T191——96《水工混凝土结构设计规范》;

3）

DL5077—

—1997《水工建筑物荷载设计规范》

4）

SL211——

98《水工建筑物抗冰冻设计规范》

5）

SL203——

97《水工建筑物抗震设计规范》；

6）

SL285——

范》；

2003《水利水电工程进水口设计规