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；P132 .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 .由口段布置；（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；灌溉面积的确定：（根据土地利用参加够调整表查由整理后土地的灌溉面积。）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=毛A农业生产总需水量,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；n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。 .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由全年需水量和降雨量的最大值和最小值，计算由最大补水量和最小补水量，以推由其流量。 .确定尺寸；Do=j4Q/7（圆管）Do管道内径，m；Q倒虹吸管设计流量，m3/s；设计流速，m/so2 .管壁厚度的拟定取单位长度承受较大内水压力P的管道管壁中环向拉应力为PDowgHDo2t。一2to以钢材的设计允许应力岛】代替%;wgHDo经整理得：o2；k-(mm)%水的密度，1000kg/m3;H内水压力，m。初估计时水锤压力值按静水头的15%30%。高水头取大值，低水头取小值；中一一焊缝系数，一般为0.900.95,双面对接焊缝取0.95,单面对接取0.90;Do压力钢管的内直径，m;钢管的设计允许应力，kpa。查下表钢材的允许应力k应力区域荷载组合产生应力的内力膜应力区局部应力区备注基本特殊基本特殊轴0rs为钢材屈服强轴力轴力叫时轴力2度弯矩和允许应力明钢管地下0.7钢管坝内埋0.55,0.67工0.67工0.9(0.80.9)0.670.850.81.0z= hfhf管道长度,m；能量损失系数,8gC2C= R1/6/n ；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;Yj2g2V2R3工勺一一各局部阻力系数之和，巳6；管内平均流速，m/so4 .能量方程2p9 u22- hg 2g w277z1z2g2g5 .进出口渐变段长度计算l=c(b-B2)L=ghC、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，mo6 .进口沉沙池段面尺寸计算池内水深H二h.TT=0.5D。十200(mm)h进口渠道水深，m;T进口渠底至沉沙池底的高差，m;Q池范BhQ渠道设计流量，m3/s；口沉沙池内平均流速，m/s;8管壁厚度,mm;Do管道内直径，mm;,H池长度L=KL(LoK安全系数；,.L泥沙沉降的水平长度；so泥沙沉降速度，m/so注：L、B可根据经验有：L(45)hB(4-5)bh、b分别为渠道的水深和底宽。7 .由口消力池尺寸确定按经验公式：L=(34)hT=0.5Do+每+0.3消力池以后的护底长一般采用35m。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高;(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：Gb二KsHDiH管顶以上填土高度；填土容重；Di管的外径，矩形管为外形宽度；系数，查表，对于柔性管K=1.0H /Di0.51.02.03.04.05.06.07.08.09.0100.11.01.2401.41.4051.51.4051.41.3051.31.2051.21.1052 .地面活荷载产生的竖向压力.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)fk动力系数，查表；Q汽加重汽车作用于管道上的竖向荷载，查表;D管道外径，m动力系数fk表填土深度fk0.31.250.41.200.51.150.61.05生0.71.0Q汽值(kN/m2)表汽车#0:填土厚度H(m)0.50.751.01.52.03.04.05.08.0汽车-10级69.043.525.116.812.98.96.84.63.4汽车-13级87.649.537.722.917.712.19.26.24.7汽车-18级170.59673.344.334.323.518.612.19.6.拖拉机压力;G拖二fkQ拖D1(kN/m)Qfi履带式拖拉机作用于管道的竖向压力（kN/m2）查表;Q拖值（kN/m2）表拖拉机填土吨位0.50.751.01.560t4738.332.324.780t88.463.253.941.63.其他荷载计算2.03.04.06.08.021.217.815.011.79.636.330.325.920.216.5厚度 H (m).管内水重Pr 二(1cos )二一一水的重度，kN/m3；ro圆管内半径,m;中垂直直径之夹角。2当冲满水时Prro.管道的均匀内水压力Pr=HH管内顶部以上水头;4.管道外水压力不均匀外水压力计算嗑=ri(1-cos)(圆管)ri圆管外半径；（巳3）外水压力折减系数，查表4-11;（3）五、倒虹吸管镇墩的计算直接作用于镇墩上的荷载;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;ApnmHiD；/4Ap二mH2D；/4Hi、H2分别为弯管段起始及末端断面中心处的水头；弯管段水流离心力；g R 4gR2 V2go sine /2）m弯管段水体的质量（m=Gww/g）;a离心加速度（a=u2/R）；Gww弯管内水体重力，（Gww=0D：/4）?wl&）；0弯管段的中心角（9T9-屋|）;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AB+BC来代替，lw=AB+BC=2Rsin（e/2）；镇墩自重力及镇墩内水重力确定其形式尺寸后可算由自重和内水重力;作用于镇墩上的水平土压力22Er二hfKaB/2-二D：cos%Ka/4(kN)、一，一,一2.：Ka主动土压力系数Ka-tg(45c-);a2B镇墩垂直水流方向宽度，m;hi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;(p土的内摩擦角。注：土的重度和内摩擦角值见表5-14。(P49)通过管身传给镇墩的荷载1 .镇墩上侧斜管传给镇墩的力管身自重Gc二DcL轴向分力Ac=Gcsn垂直管轴的分力Nc=Gccoscc.,.L镇墩上侧斜管段长度，m;内水重力2.GriL垂直分力N二GcoslCO道上的浮力Gfr；l轴向分力Af二Gfsn垂直分力Nf=Gfcos.,.l在水位以下的斜管轴线长度，m;管道填土压力G=(Fk+Fj)L轴向分力AnGsn竖向分力NnGcos。Fk、Fj顺管道每米长土的重力，可分别按式(4-11)、(4-23)计算;(P61-65 )管身摩擦力.-，4444,、A=fo（Ns+N-Nf+Nr）（kN）fo管底和管座之间的摩擦系数。（耳52）隈一一临界坡角；（日九管道下滑，8九管道不动。）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）墩身稳定计算1 .镇墩与两侧管端刚性连接_,_、一当8外,上侧斜管下滑力大于摩擦力，这时可将所1、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1_H_1_1-_Hx=-xx=Acos-Acos-轴向力总和在y轴上的分力,_,_,_yny=Asin71Asinx及工x分别为镇墩上游侧及下游侧水平分力的总和，kN;丫及y分别为镇墩上游侧及下游侧竖向分力的总和，kN。将Z乂和y代人下式KcfyG).Y+E1.21.58一xKc镇墩的抗滑安全系数；对钢管可取1.5;cEy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（G.）之G=Gz+Gz&(kN)-二_2_GzDO（R2b）4b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：二 /二.max min、yG6M2BLBL2maxMM总力矩，kN，m,是x、y、和G、E不等各力对镇墩底面形心Oi点力矩的总和；（图53）B、L分别为镇墩底面的宽度和长度，m;b地基的许可承载力，kN/itf,见下表；地基的许可承载力许可承载力（kN/ m2）120020008001200200400100 200300400200300地基名称中等坚硬岩石稍湿的砂壤土很湿的砂壤土软弱岩石稍湿的粘性土很湿的粘性土1 .钢制倒虹吸管镇墩计算步骤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A、A?、A3、4、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）。（P75）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、MA6三力即可。算由各力且注意各力对镇墩中心的方向。将各轴向力叠加并分解为水平分力和竖向分力。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I和水重力%（表6-2第10、11号公式P75）,管传给支墩的摩擦力A（表6-2第9号公式）及支墩自重力gzd分解总作用力为水平分力各力在x轴上的水平分力为x=-A8cos-(nsn)sin1沿y轴的竖向分力为y=-A8sin(nsn)cos71A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朝向管道下端，取正号。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/_1二Asia(nsn)cosigzdK彳Kc_1.A8cos-(nsn)sin71六、露天式钢管结构计算1 .管壁应力计算径向力作用产生的管壁应力。管壁环向拉应力PsD2钢管内径，mm;钢管壁厚度，mm;轴向力作用产生的管壁应力断面积F为得轴向应力计算公式“NNCT=xF2rD平均直径，mm;r平均半径，mm。注：设计计算时，如N为压力，则N前加负号，如算得仃为负值，则为压应力。法向力作用产生的管壁应力M cos71WM cos71r2D2JIoW钢管环行断面抵抗矩;M法向力产生的弯矩钢管内半径。断面剪应力Jb2QsinF钢管横断面上的剪力,跨端支墩两侧各等于G万，G=（Gs+G）lcos；1:支墩间距；口水平倾斜角度;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矩，S=2r26sin日；J管断面惯性矩，J=n，；b受剪断面净宽度，b=2a；F钢管断面积，F=2江M；钢管横断面，（图P79）沿H角变化的环向剪应力；当9=0和180c时，%=0；当9=90和270c时，2Q%9=匚，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ax应满足.一1（-y）22Imax12乂丫校核管壁应力的公式/Cx-7y）242y亡1b1钢材允许应力。第三强度理论校核钢管壁强度，1=（二-二,）242rM二（=0）2二，（二x-J）24；k=90）二3二.（乙二ry一4二1J（一180）根据畸变能理论得到的三向应力状态一般情况的合成应力公式2220/222:二-、二3333-:二：二-二3-:二：二-3（，,-、.）oxr二xrxnruxrx【ru/对于平面应力状态；22-2=xx我国SD14485水电站压力钢管设计规范中给由了上式中规定满足强度条件crcr1tjW中T2中焊缝系数，其值为0.90.95,工程级别越高，焊缝检查越严格，则焊缝系数越大；。】一一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，b】=0.55J,为屈服点；考虑局部应力时，可提高到b】=0.67,。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总体过程(P84199)主要设计规范(1) SDJ2078水工钢筋混凝土结构设计规范；(2) SL/T19196水工混凝土结构设计规范(3) DL50771997水工建筑物荷载设计规范(4) SL21198水工建筑物抗冰冻设计规范(5) SL20397水工建筑物抗震设计规范；(6) SL2852003水利水电工程进水口设计规范；(7) SL2652001水闸设计规范；