【倒虹吸管设计大纲范本】

倒虹吸管设计大纲范本
FJD34280 FJD


水利水电工程 技术设计阶段
钢筋混凝土倒虹吸管
设计大纲范本


























水利水电勘测设计标准化信息网
1998年8月



工程 技术设计阶段
钢筋混凝土倒虹吸管技术设计大纲






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勘测设计研究院

年 月



目 次


1. 引 言 4
2. 设计依据文件和规范 4
3. 设计基本资料及主要参数 4
4 设计一般原则 9
5. 布置要求与优化设计 9
6. 水力计算 11
7. 结构设计 12
8. 有关构造、细部结构 16
9. 观测设计 16
10. 技术专题研究 17
11. 工程量计算 17
12. 应提供的设计成果 17


１ 引言
倒虹吸管是 灌区（电站或其他工程）的 引水渠上（桩号×＋×××　～　×＋×××）的输水（引水）建筑物，位于 省 县（市） 乡的 ，对外交通为 ，距 的公路里程约 km。
按初步设计报告，本倒虹吸管经审定为：设计流量 m3／s，采用 形过水断面，管径（宽×高） m，根数 条，进出口设计水位差 m。管体采用 结构，设计最大水头 m，由进口段、管道、出口段及管道支承结构等建筑物组成，全长 m。
2 设计依据文件和规范
2.1 有关本工程主要文件
(1)初步设计文件（包括补充文件）；
(2)初步设计审批文件（包括上级机关对本工程的其他文件）；
(3)技术设计任务书；
(4)其它有关文件及资料（如会议纪要、专题论证报告及其它部门的文件）。
2.2 主要设计规范
(1)SDJ12－78 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准和补充规定（山区、丘陵区部分）（试行）；
(2)SDJ217－87 水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(平原、滨海部分）（试行）；
(3)SDJ10－78① 水工建筑物抗震设计规范（试行）；
(4)SDJ20-78② 水工钢筋混凝土结构设计规范（试行）；
(5)SDJ207-82 水工混凝土施工规范；
(6)SD303-88 水电站进水口设计规范（试行）；
2.3 主要参考资料
［1］刘启钊等.水工设计手册第七卷.第三十四章压力管道.水利电力出版社.1989.5
［2］陈济群.水工设计手册第8卷.第四十章渠系建筑物.水利电力出版社.1984.11
［3］余际可等.倒虹吸管(第二版).水利电力出版社.1993.6
［4］华东水利学院等.水工钢筋混凝土结构(下册).水利电力出版社.1975.10
［5］武汉水利电力学院水力学教研室.水力计算手册.水利电力出版社.1980.12
3 设计基本资料及主要参数
3.1 工程等别与建筑物级别
(1)工程等别：根据本工程规模及SDJ12-78或SDJ217－87规范，确定本工程为 等工程。
(2)建筑物级别：管道、支承结构及管道进出口段等各部建筑物的设计级别应按有关规范确定。
3.2 地震烈度
(1)基本地震烈度：根据国家地震局（或省市地震大队）对本地区地震烈度的鉴定资料，其地震基本烈度为 度。
(2)设计地震烈度：按SDJ10-78的规定，本工程设计地震烈度为 度。
3.3 输水流量及允许水头损失
(1)输水流量（见表1）。
表1 输水流量
序号 名称 数量，m3／s 备注
1 设计流量
2 加大流量 或校核流量
3 最小设计流量
4 常见的中小流量
(2)允许水头损失：根据渠系水面线要求，通过设计流量时，本倒虹吸管允许最大水头损失值为m。
3.4 输水水质
(1)含泥沙情况；
(2)对结构物的浸蚀性情况。
3.5 进出口渠道要素（见表2）
表2 进出口渠道要素表
序号 名 称 进 口 渠 道 出 口 渠 道 备 注
1 土质类别
2 断面形式
3 渠道边坡
4 断面尺寸，m×m
5 底坡i
6 糙率n
7 渠底高程，m
8 设计流量(Q＝m3／s)时
水面高程，m
9 加大流量(Q＝m3／s)时
水面高程，m 或校核流量
10 最小流量(Q＝m3／s)时
水面高程，m
11 常见中小流量(Q=m3/s)时
水面高程，m
12 堤顶高程，m
3.6 管线区的地形资料（见表3）
表3 地形资料
序号 名 称 施测范围与要求 比 例 尺
1 平面地形图 1. 包括进出口段的渠道
2.地形图宽度应视布置要求拟定：一般在管轴线两侧各100m 左右一般采用1：200～1∶500，若管线太长(大于1000m)可采用1∶1000～1∶2000(指管道段部分)
2 纵剖面图 沿拟定的轴线施测 水平与垂直比例尺可以不同，视具体情况定
3 横剖面图 根据具体情况选在各控制点上 视具体情况定
3.7 管线区的地质资料
(1)管线区的综合地质平面图（1∶200～1∶500，管线长于1000m时1∶1000～1∶2000）；
(2)管线纵、横地质剖面图（1∶200～1∶500）；
(3)管线区不良地质构造处及特殊地段(如跨越河溪、道路等)的平面图、剖面图（1∶200～1∶500）及有关专题报告；
(4)建筑材料产地、贮量及质量分布图；
(5)地基及回填土的物理力学指标（见表4、表5，包括不同的管段区）；
(6)地质报告或说明书。
表4 地基物理力学指标
管段区名： 
序号 项目名称 单位 部位 指标 备注
1 地基岩性
2 地基允许承载能力 MPa
3 地基变形模量 MPa
4 建筑物与地基间的摩擦系数f
5 建筑物与地基间的凝聚力C MPa
6 地基内部滑动面的摩擦系数f'
7 地基内部滑动面的凝聚力C' MPa
8 临时开挖边坡1∶m 水上
水下
9 永久开挖边坡1∶m 水上
水下
…
表5 回填土的物理力学指标
管段区名：
序号 项 目 名 称 单 位 部 位 指 标 备 注
1 回填土的名称
2 回填土的容重 γ kN／m3
3 回填土的内摩擦角 φ (°)
4 回填土的粘着力 Ｃ MPa
…
3.8 水文气象资料
(1)气温及水温：多年实测的日平均气温及水温，或月平均资料（见表6）；
表6 多年月平均气温与水温资料 单位：℃
月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 全年
平均气温
平均水温
(2)极端最高气温℃（发生在年月日）；
(3)极端最低气温℃（发生在年月日）；
(4)多年平均最大风速m／s（风向）；
(5)冰冻期为月，结冰厚度m，持续最长时间d，冻土层厚度m；
(6)地下水埋深；
(7)冰凌资料。
3.9 专题资料
提示：当倒虹吸管通过或跨越河溪、道路等时，需要有下列内容的专题资料。
(1) 跨越河溪：查清楚河溪该处的最高洪水位、一般河水位、最低河水位，相应的流量、流速，以及通航和冲刷等情况；
(2)跨越铁路、公路：要了解该路段的交通运输，今后发展及对本工程的要求等有关情况。
3.10 材料特性
3.10.1 混凝土
(1)混凝土设计强度与弹性模量见表7。
表7 混凝土设计强度与弹性模量表 单位：MPa
混凝土
标 号 设 计 强 度 弹性模量Eh
轴心抗压Ra 弯曲抗压Rw 抗拉RI 抗裂Rf

(2)混凝土的其它参数见表8。
表8 混凝土其他参数
序号 名 称 单 位 数 值 备 注
1 素混凝土容重 kN／m3
2 钢筋混凝土容重 kN／m3
3 混凝土抗渗标号
4 混凝土抗冻标号
5 混凝土线膨胀系数α ℃-1
3.10.2 钢筋设计强度及弹性模量，见表9
表9 钢筋设计强度及弹性模量
钢筋品种 符号 直径
mm 设计强度，Mpa 弹性模量EgGPa
受拉Rg 受压R'g

3.10.3 其他
3.11 安全系数
(1)混凝土结构构件强度安全系数见表10。
表10 混凝土结构构件强度安全系数
建筑物级别
荷载组合 基本 特殊 基本 特殊 基本 特殊
按抗压强度计算的受压构件、局部承压
按抗拉强度计算的受压、受拉、受弯构件
(2)钢筋混凝土结构构件强度安全系数见表11。
表11 钢筋混凝土结构构件强度安全系数
建筑物级别
荷载组合 基本 特殊 基本 特殊 基本 特殊
轴心受压构件、偏心受压构件、局部承压、斜截面受剪、受扭
轴心受拉、受弯、偏心受拉构件
(3)钢筋混凝土结构构件使用中不允许出现裂缝的抗裂安全系数(Kf)，见表12。
表12 钢筋混凝土结构构件抗裂安全系数Kf
建筑物级别
荷载组合 基本 特殊 基本 特殊 基本 特殊
轴心受拉、小偏心受拉构件
受弯、偏心受压、大偏心受拉构件
(4)建筑物稳定安全系数见表13。
表13 建筑物稳定安全系数
序号 建筑物名称 抗滑 抗倾
基本 特殊 基本 特殊
1 管道与管座
2 管座与地基
3 镇墩与地基
4 边墙与地基
3.12 其他系数
(1)管节搬运、吊装等动力系数：Kη＝ ：
(2)管体与管座之间的摩擦系数： f＝ 。
4 设计一般原则
4.1 倒虹吸管设计除执行本大纲外，还应符合有关标准、规程和规范的规定。
4.2 倒虹吸管是引水建筑物，其工作情况及设计要求必须满足整个引水工程规划设计的要求。
4.3 鉴于温度荷载对管道应力影响较大，又难于准确计算，因此，在管道设计中，应采取适当的构造措施，尤其要注重隔温措施，一般尽量采用掩埋式或其它隔温结构，以减小温度荷载对管道应力的影响。
4.4 混凝土收缩的影响在设计上一般不进行计算，只提请施工部门采取措施，应控制均匀收缩在允许范围之内，并应尽量避免非均匀收缩。
4.5 地震力为特殊荷载，设计中一般可不考虑，应着重采取抗震结构及工程措施。只有对７度以上地震区的大型倒虹吸管，且是露天铺设时，应按SDJ10-78的要求进行设计。
4.6 倒虹吸管主要是承受较大的内水压力荷载，因此，钢筋混凝土管道结构应按不允许开裂的要求进行设计。
4.7 因混凝土具有易裂性，对混凝土水管，尤其是高压管，应从结构构造、布筋、施工等方面注重采取抗裂防渗措施。
4.8 在结构设计中，应充分考虑施工中(如用顶管法、盾构法施工，或管道通过河谷道路等)的一些特殊要求。
4.9 在寒冷地区，应按防冻要求设计，采取必要的防冻措施。

5 布置要求与优化设计
5.1 一般规定

5.2 进出口段
提示：(1)进出口段应根据工程具体情况要求布设沉砂池、拦沙坎、冲砂闸、泄水闸、控制闸、消力池、拦污栅、喇叭口、渐变段等结构物。
(2) 进出口各结构物的型式及高程应保证在通过不同流量时，管道进出口处的水流为淹没流，防止产生水跃及漏斗式涡流带入空气。边界力求圆滑平顺，以减少水头损失。进水口布置应参照SD303-88有关章节条款的要求。
(3)一般情况下，进出口是按设计流量为淹没流进行设计的。但在其他流量时，可能出现非淹没的急流，因此为了改善此种水流状态，在进出口处可设置消力池、控制闸等建筑物连接。
5.3 管道段
5.3.1 管道的断面形式及尺寸、根数、材料及支承结构选择
提示：一般应根据工程规模及工程的具体条件，经技术经济比较后确定。
5.3.2 管座形式选择
提示：园形管座的形式有素土平基、弧形土基、刚性弧形管座、内园外城门型、梁式支承、两点式支承、中空式刚性弧形管座等多种。管座形式对管道应力影响较大，应根据工程具体情况慎重选择，或经技术经济比较后确定。
5.3.3 镇墩布置
(1)管道转弯处应设置镇墩；
(2)镇墩在管道直段上的设置。
提示：管道布置在一般坡度上时，每50m～100m设一个镇墩。当布置在坡度陡、长度大的斜坡上时，还应在斜坡管道中间加设镇墩，以防止管体下滑。镇墩间距应根据地形地质条件，经计算确定。
当管道的平直段较长时，一般每隔150m～200m，或更长距离设置镇墩。
5.3.4 管节长度与伸缩沉陷缝
提示：(1)管节与管节之间设伸缩沉陷缝。因此，管节长度也就是管道伸缩沉陷缝的间距。
(2)管节与管节之间接头型式：对现浇钢筋混凝土管主要有平接和套接，前者用于水头比较低的管道；预制管和预应力管大多采用承插式接头。
(3)管节长度一般应根据不同管材、地基、施工工艺及温度等条件拟定。现浇混凝土管：管节长度在土基上一般为15m～20m，在岩基上为10m～15m。若采取适当措施，如在管身与管座之间设置油毛毡垫层，且管身又采用分段间隔浇筑，对管径小于或等于1.5m的管道则管节长度（伸缩缝间距）可增大至30m。预制混凝土管：管节长度一般在5m以内，个别的也有长达8m。
5.3.5 专题设计
提示：专题设计的项目可能有：桥式支承结构(拱、排架、梁)，较大的基础处理，露天式管道的保温结构以及跨越河溪、路障等，应根据具体情况与需要进行专题设计。
6 水力计算
6.1 计算任务
6.2 管道流速
倒虹吸管内流速应根据允许水头损失值，经技术经济比较和管内不淤条件选定。
6.3 水头损失计算
提示：倒虹吸管水头损失包括局部水头损失和沿程水头损失两大部分。其中局部水头损失包括拦污栅、进口、门槽、渐变段、弯头、管节接头、出口等。各类水头损失的计算可参照SD303-88附录四公式计算。
6.4 管道过水能力的核算
倒虹吸管内的水流为压力管流，故其管道内的过水能力按压力管流公式计算。
提示：计算步骤及公式参照《水工手册》第8卷第40章及武汉水利电力学院编《水力计算手册》中有关章节。
6.5 进出口水面衔接的验算
7 结构设计
7.1 荷载及其组合
7.1.1 荷载
7.1.1.1 基本荷载
(1)自重（包括管道隔温结构的自重）；
(2)满管水重；
(3)设计内水压力；
(4)外水压力；
(5)管道弯曲段水流的离心力；
(6)土压力；
(7)地面荷载；
(8)支座反力；
(9)温度荷载；
(10)雪荷载。
7.1.1.2 特殊荷载
(1)校核内水压力；
(2)地震力。
提示：各类荷载计算公式及方法，参见主要参考资料中有关章节。
7.1.2 荷载组合
提示：设计倒虹吸管时，荷载组合应根据工程布置型式及运用期间可能出现的最不利的情况进行全面考虑。一般荷载组合分为基本组合和特殊组合两大类。基本组合由基本荷载所组成；特殊组合除相应的基本荷载外，尚应包括一种或几种特殊荷载。
荷载组合一般应按表14～16采用，但有时还要考虑其它可能的荷载及可能的最不利组合。
(1) 管道横向计算的荷载组合，见表14。

表14 管道横向计算的荷载组合表
管道类型 荷 载 组 合 基 本 荷 载 特殊荷载 备 注
自重 满管水重 设计内水压力 外水压力 土压力 地面荷载 温度荷载 雪荷载 支座反力 校核内水压力 地震力
露天管 基本组合 √ √ √ √ √ √
特殊组合(Ⅰ) √ √ √ √ √
特殊组合(Ⅱ) √ √ √ √ √ √
掩埋管 基本组合(Ⅰ) √ √ √ √ √ √ √ √
基本组合(Ⅱ) √ √ √ √ √ √ 空管
特殊组合 √ √ √ √ √ √ √ √
河床埋管 基本组合(Ⅰ) √ √ √ √ √ √
基本组合(Ⅱ) √ √ √ √ 管道检修期
特殊组合 √ √ √ √ √ √
(2)管道纵向计算的荷载组合，见表15。
表15 管道纵向计算的荷载组合
管道类型 荷 载 组 合 基 本 荷 载 特殊荷载 备 注
自重 满管水重 设计内水压力 外水压力 土压力 地面荷载 温度荷载 雪荷载 支座反力 校核内水压力 地震力
露天管 基本组合 √ √ √ √ √ √
特殊组合(Ⅰ) √ √ √ √ √ √
特殊组合(Ⅱ) √ √ √ √ √ √ √
掩埋管 基本组合(Ⅰ) √ √ √ √ √ √ √ √
基本组合(Ⅱ) √ √ √ √ √ √ 空管
特殊组合 √ √ √ √ √ √ √
河床埋管 基本组合(Ⅰ) √ √ √ √ √ √
基本组合(Ⅱ) √ √ √ √ 管道检修期
特殊组合 √ √ √ √ √ √

(3)镇墩计算的荷载组合，见表16。


表16 镇墩计算的荷载组合
管道类型 荷 载 组 合 基 本 荷 载 特殊荷载 备 注
自重 水重 设计内水压力 外水压力 水流离心力 土压力 地面荷载 管道作用力 雪荷载 校核内水压力 地震力
露天管 基本组合 √ √ √ √ √
特殊组合(Ⅰ) √ √ √ √ √
特殊组合(Ⅱ) √ √ √ √ √ √
掩埋管 基本组合 √ √ √ √ √ √ √ √
特殊组合 √ √ √ √ √ √ √
河床埋管 基本组合 √ √ √ √ √
特殊组合 √ √ √ √ √ √
注：表14～16中，外水压力值应取各荷载组合中最不到状况的水位进行计算。
7.2 管身内力计算
7.2.1 设计一般规定
7.2.2 横向计算
7.2.2.1 圆形管计算原则
7.2.2.2 箱形管计算原则
7.2.2.3 计算步骤及公式
提示：计算步骤一般分为基本资料、荷载计算及组合、内力计算、强度验算、配筋计算、抗裂验算等，见主要参考资料中有关章节。
7.2.3 纵向计算
7.2.3.1 计算原则　
7.2.3.2 计算步骤及公式
提示：同横向计算。
7.3 镇墩结构设计
7.3.1 设计一般要求
7.3.1.1 镇墩稳定设计
提示：倒虹吸管镇墩一般属重力式结构，它利用自身重力维持其稳定，且它的变位不能影响管道的安全。
7.3.1.2 镇墩结构计算内容
(1)抗滑与抗倾覆稳定性校核；
(2)结构强度验算；
(3)地基承载能力验算，必要时进行沉陷验算。
7.3.1.3 镇墩建筑材料
提示：镇墩一般用标号不低于100号的混凝土建造。在寒冷地区，墩底应深埋在冻土线以下。对中小型工程经论证后，可以用浆砌块石与混凝土混合结构。
7.3.1.4 镇墩基础
7.3.1.5 镇墩内管道段强度及配筋
提示：镇墩内管道段的混凝土强度及配筋量一般与镇墩外直管道段相同，以防因内水压力及温度作用产生裂缝。
7.3.1.6 镇墩的周围，尤其是上部，宜配置适量温度钢筋，以防开裂，损坏整体性。
7.3.2 镇墩的稳定性验算
(1)镇墩沿建基面的抗滑与抗倾覆稳定性验算。
提示：为使地基受力均匀，一般都要求合力作用点在基础底面的中三分点之内，故可不进行抗倾覆验算，只验算抗滑稳定即可。
(2)斜坡上的镇墩应论证或验算地基是否稳定。

7.3.3 镇墩的强度验算
(1)镇墩的强度验算一般按重力式挡土墙计算方法进行，可选几个与墩底面平行的危险面用材料力学方法计算截面应力，使之满足材料的设计要求。
提示：弯管凸向上方的镇墩，其内水压合力指向上方，应在管轴线附近选择最弱的截面验算其强度。如不满足要求，则应增加其上部墩身的体积压重，或加设锚筋。
(2)镇墩的地基强度验算。
镇墩的地基应力用材料力学中偏心受压构件公式进行计算。
提示：计算方法及公式见主要参考资料中有关部分。
7.4 进出口段设计
提示：参见SD303-88及主要参考资料中的有关部分。

8 有关构造、细部结构

9 观测设计

提示：工程结构的强度、裂缝、变形以及水力要素等观测项目，应根据需要进行设计。

10 技术专题研究(必要时)
11 工程量计算
11.1 计算说明
提示：应说明计算的规定、依据和方法等。
11.2 工程量计算
提示：分部位、分项进行计算：土石方开挖、土方回填、干砌石、浆砌石、混凝土、钢筋混凝土、钢筋、水泥、止水材料等。

12 应提供的设计成果
12.1 设计文件
主要文件有：
(1)设计报告；
(2)计算书；
(3)专题文件(如：试验报告、专题研究报告等)。
12.2 设计图纸
主要图纸有：
(1)布置图；
(2)结构图；
(3)钢筋图。
12.3 工程量汇总表
表17 工程量汇总表
项目 开挖
m3 回填
m3 混凝土及
钢筋混凝土
m3 浆砌块石
m3 钢筋
t 钢材
t 水泥
t 止水材料 …
土方 石方 土方 石方
进口段
出口段
管身
管座
镇墩
支承结构

详见附件

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