倒吸虹

倒吸虹

倒虹吸實際上就是一個連通器,流水在障礙物的下方,利用高差,從下面的封閉管道中流過。因為像一個倒置的虹吸管,故稱為“倒虹吸”。

倒吸虹概念

用以輸送渠道水流穿過河渠、溪谷、窪地、道路的壓力管道。常用鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土材料製成,也有用

倒吸虹倒吸虹

混凝土、鋼管制做的,主要根據承壓水頭、管徑和材料供應情況選用。倒虹吸管由進口段、管身段、出口段三部分組成。 倒虹吸實際上就是一個連通器,流水在障礙物的下方,利用高差,從下面的封閉管道中流過。因為像一個倒置的虹吸管,故稱為“倒虹吸”。

在水工工程中經常使用倒虹吸,小的如通過一條公路的下方,大型的如南水北調的穿越黃河的倒虹吸。

倒虹吸管

inverted siphon

用以輸送渠道水流穿過河渠、溪谷、窪地、道路的壓力管道。常用鋼筋混凝土及預應力鋼筋混凝土材料

倒虹吸管

製成,也有用混凝土、鋼管制做的,主要根據承壓水頭、管徑和材料供應情況選用(見彩圖)。倒虹吸管由進口段、管身段、出口段三部分組成。從地下或敷設在地面穿過河渠、溪谷、窪地或道路的輸水壓力管道 。多採用鋼筋混凝土管或預應力鋼筋混凝土管 ,也採用混凝土管或鋼管。低水頭時可用漿砌石管。

布置形式

根據管路埋設情況及高差大小,倒虹吸管有下列幾種布置形式:對高差不大的小倒虹吸管,常採用斜管式和豎井式。高差大的倒虹吸管,當跨越乾谷或山溝時,管道一般沿地面敷設,在轉彎和變坡地段設定鎮墩,其作用是連線和穩定兩側管道。管道可埋設於地面以下(圖a),也可敷設於地面或在管身上填土。當管道跨越深谷或山洪溝時,可在深槽部分建橋,在其上鋪設管道過河(圖b)。管道在橋頭兩端山坡轉彎處設鎮墩,

倒虹吸管

並於其上開設放水沖沙孔。兩岸管道仍沿地面敷設。這類倒虹吸管又稱橋式倒虹吸管。根據過水流量大小、運用要求及經濟比較,倒虹吸管可布置成單管、雙管或多管。設定雙管或多管,可以輪流檢修,不影響運行;小流量時,還可利用部分管路過水,以增加管內流速,防止泥沙在管中淤積。管身斷面形式有圓形、矩形及城門洞形等,其中圓形採用較多。

結構

倒虹吸管進口段一般包括漸變段、進水口、攔污柵、閘門、擋水牆等。對含沙量多的渠道,還可在進水口前加設沉沙池。為了渠道水位與管道入口水位在通過不同流量時良好銜接,可在管道進口前修建前池,或將管道進口底高程降低,並在管口前設斜坡段。出口段一般設消力池,用以調整出口流速分布。

設計

倒虹吸管的設計包括:管路及進出口布置,管身及鎮墩的形式選擇,水力計算和結構設計。由於倒虹吸管檢修較困難,在設計中應注意為檢修創造條件。

歷史

倒虹吸管有悠久的歷史。公元前180年在古希臘(今土耳其)帕加馬曾建築一座倒虹吸管,其下彎穿越河谷的深度超過200m,管徑為30cm。倒虹吸管在中國古代稱為渴烏,公元186年在《後漢書》中已見記載。中華人民共和國成立後,修建了大量倒虹吸管,在結構形式、用材、施工方法和制管工藝上有不少發展。預應力鋼筋混凝土管由於其承壓較高,具有較高的抗裂性、抗滲性,故得到了推廣。

(一)《管子·度地》對倒虹吸水流的描述

《管子·度地》對有壓倒虹吸水流作過精闢的描述:水之性,行至曲,必留退,滿則後推前,地下則平行,地高即控。

筆者認為,這一段說的是有壓管流的“水之性”,和上段所說的“以高走下”的無壓流的“水之性”,是並列的兩段文字,“行至曲,必留退,滿則後推前”,描述的是渠水通過倒虹吸的水流現象,當渠水從一端流入向下彎曲的倒虹吸時,必先灌滿倒虹吸(從整個渠道水流來看,這時呈現出“留退”的狀況),爾後才能“後推前”地從另一端流出,水流通過建築物,必將產生一個能量上的損失,因此,一定要使倒虹吸的進出口水面高程有一個必要的差值,使出口高程低於進口高程才行,出口低於進口(“地下”),則水流將平順地通過,否則,渠水就會因倒虹吸出口端過高(“地高”),受倒虹吸控制而流不過去。

(二)公元前中國和古羅馬城市供水管路中的倒虹吸

1975年至1981年在對位於河南省登封縣告成鎮的陽城遺址的發掘中,發現有戰國晚期的城市管道供水系統,其中實際套用了倒虹吸。整個供水設施由輸水管、控制流量的控制坑、沉澱泥沙的澄水池、貯水坑和蓄水瓮等組成。供水管路共有八條,沿地形由高向低布設,總長有數千米之多。輸水管內徑約為12.3厘米,在淹沒條件下,輸水流量可達20~30升/秒。

輸水管路由直通管、三通排氣管,三通分水管、四通控水管等部件銜接組成,均為陶製。其中陶直通管與陶三通排氣管銜接情況如圖2-14所示,陶四通管的造型如圖2-15所示,輸水管路多數鋪設在開鑿於紅砂岩的溝槽中。較深的溝槽達1.2~2.0米。②

大約在公元前180年左右在土耳其境內古希臘帕加馬城建有大型城市輸水管溝,水從海拔約360米的源頭,跨越兩條山谷輸送至這座城堡,而城堡制高點只比源頭低約40米。其中當有跨百餘米山谷的倒虹吸。③古羅馬著名建築師維特魯威在寫於2000年前的不朽名著《建築十書》中,詳細地記述了當時輸水管網的建設要點。對於倒虹吸,維特魯威還特別指出,為了倒虹吸的安全運行,需要修建鎮墩和排氣豎管。①

①對《管子·度地》渠道坡降計算和水躍的描述,是姚漢源先生於1962年最先提出的。

②河南省文物研究所、中國歷史博物館考古部,登封王城崗與陽城,文物出版社,1992年,第229~246頁。

③參見チヤ-ルズ·シンガ一等編,平田寬、八杉龍一譯,技術の歷史——地中海文明と中世(下),築摩書房,第581~583頁。PeterJames,AncientInventions,顏可維譯,世界古代發明,世界知識出版社,1999年,第388頁。

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