永仁县水务局 云南永仁 651499
摘要：倒虹吸工程是输水建筑物基本型式，将倒虹吸工程简化应用于金沙江干热河谷地区的人畜饮水工程和小型农田灌溉工程中，可节约工程投资，满足实用要求。
关键词：倒虹吸工程实际应用;农田灌溉和人畜饮水工程;输水建筑物。
1.前言
永仁县位于云南省北大门、金沙江南岸，境内较大河流有4条，即：永定河、羊蹄江、万马河、白马河，具有“河谷狭窄，山高坡陡箐深，耕地破碎，人口居住分散，人高水低”的地域特点，属亚热带季风气候，是典型的金沙江干热河谷地区。万马河属金沙江一级支流，干热河谷地形气候最明显，具有代表性。该河位于永仁县城西部，发源于大姚县昙华山北麓，由南向北经大姚桂花乡、永仁县中和镇、永兴乡，汇入金沙江。主河道全长62.5km，流域面积1027.7km2，河口多年平均流量11.1m3/s，永仁县过境长38km，区间面积768km2。多年平均降雨量884.8mm，年蒸发量2794.4mm，多年平均日照2848小时，平均太阳辐射量158.34卡/cm2，多年平均气温17.7℃，多年平均霜期53.2天，多年平均风速2.5m/s。万马河流域有人口17787人（永仁县境内），有耕地面积21060亩，人均占有耕地1.184亩。
2.问题的提出
在万马河流域沿河两岸都有农田、农户，沿河两岸均需修建沟渠才能解决农田灌溉问题。受地形限制，解决农田灌溉的主要措施是引水渠道，所有沟渠较长，沿途多经沟壑、山箐等地形复杂地段，工程投资大，效益低，水毁严重，维护费用高，群众劳动强度大。同时，随着农村生活水平不断提高，人畜活动加剧，农村饮水不安全的问题日益突出。有的村庄原有的井水出水量满足不了人畜饮水需求，有的村庄饮用水源为箐水、河水，达不到农村饮水安全的要求。
随着农村水利资金的投入，如何充分利用有限的资金，对原有的沟渠进行防渗处理、新建农村人畜饮水工程，彻底解决绝大多数人的吃饭和吃水两大问题，是对基层水利工作者的重大考验。由于当地在河道上有修建“游索”及“竹索桥”的历史和经验。结合工程实际，借鉴“游索”及“竹索桥”的经验，提出“跨河吊水”的思路，实用的“钢索悬索式倒虹吸工程”应运而生。
3.工程规划、规模
在工程建设中，针对沟渠的弊病，采用“倒虹吸”式输水工程，只需修建一条沟渠就可以解决沿河两岸农田灌溉，减少工程规模和工程投资，提高工程灌溉效益；采用“倒虹吸”输水工程，跨河引水，清洁的山泉水翻山越岭，无水村庄实现使用“自来水”梦想。在所建沟渠灌溉工程和饮水工程中，“倒虹吸”工程共有30多件，跨度在50米以上的工程有13件，投资在万元以上的仅有4件，这些实用的输水工程，成为万马河流域下游沟渠和饮水工程的重要组成部分，成为金沙江干热河谷农村水利工程建设的一个特色。
在所建的倒虹吸输水工程中，渠道桥式结构倒虹吸工程1件，占总投资的13.8%；曲线式倒虹吸工程3件，占所在工程投资的30%左右；钢索悬索式倒虹吸工程9件，占所在工程总投资的3%—5%。
4.工程布置
钢索悬索式“倒虹吸”输水工程设计主要考虑河道行洪安全和工程安全，一般应避开居民区，悬索高度应不小于设计洪水位。工程一般布置于河道上，用于沿河两岸沟渠灌溉工程的连接，实现沿河两岸农田灌溉只需修建一道沟渠，或用于沿河村庄跨河的人畜饮水工程之中，解决缺水村庄的人畜饮水。工程布置如图所示。
5.工程设计
钢索悬索式倒虹吸工程的主要设计任务：
5.1管径型号选择计算
农村人畜饮水工程建设中，管道流量计算已作详细计算，“倒虹吸”输水工程的管径只需对号入座使用即可。
农田灌溉沟渠工程中，过水流量由灌溉面积和灌溉定额确定，管径计算采用《云南省农村人畜饮水技术手册》中的公式，计算步骤如下：
A、经济流速v，从《云南省农村人畜饮水技术手册》中可查得确定；
B、计算管径直d：
，
根据计算结果，选择接近的管径为设计值，重新校核流速V：
V=Q/A=Q/0.785d2j（米/秒）。
式中：d—管道直径，dj—管道计算内径，A—管道断面积（米2）。
C、计算管道沿程损失水头hF=iL，水力坡降i的计算公式从《云南省农村人畜饮水技术手册》中查用，L为管道长度。计算结果hF应小于进出口水位差H△。
5.2钢丝绳型号选择计算
钢索型号的选择主要考虑的力有：钢管自重G1、钢索及配件自重G2、该段钢管过水量G3、风阻系数等。计算步骤如下：
a、选择垂跨比κ：κ=1/8—1/12，一般取1/10；
b、悬索纵坐标：y= 
（取坐标原点在左支点上）式中， f为垂幅高（米），L为跨距（米）；
c、计算恒载W：W=G1+G2+G3，当地风速为2.5米/秒可忽略不计，单位为KN；
d、计算拉力T：
，式中，f 为垂幅高（米），L为跨距（米），
为钢索水平夹角，由公式tan
=
确定；
f、选择钢丝直径，由《五金手册》查出钢丝直径及破断拉力[p]（KN），计算钢丝绳股数=KT/[p]，确定钢丝绳型号，安全系数K取3.0。
5.3基础及锚碇计算
基础及锚碇为混凝土的结构，一般采用钢筋制作预埋，钢丝绳固定环出露基础，基础一般下部设计为钢筋混凝土、上部设计为毛石混凝土。锚锭分为重力式和岩隧式两种结构形式。如下图所示。
重力式锚锭依其自重实现对钢索拉力的锚固；岩隧式锚锭借助两岸天然坚固的岩体开凿隧洞再浇筑混凝土形成，利用岩体对混凝土锚体形成嵌固作用，达到对钢索拉力的锚固目的。岩隧式锚锭形式混凝土用量少，可节省投资。由于钢索悬索式倒虹吸工程设计灌溉面积小或多为人畜饮水工程，过水量小，钢丝绳拉力小，重力式锚锭混凝土用量不多，而岩隧式锚锭设计及施工比较复杂，故钢索悬索式倒虹吸工程基础设计大多采用前一种结构。
重力式锚锭计算如下：
混凝土自重力取GH=23.52KN/m3，安全系数取2.0—3.0，则混凝土体积估算时为：（2-3）T/GH=（0.085-0.128）T（m3）。力学计算简图如下：
由图可知，F与G、τα组成一组平衡力矩，设基础长为B、宽为C、高为H，H’≈Hcosα。在重力式结构中，设τα为零，根据公式∑M（f）=0得出：
F•H′-G•B/2 -τα•B=0；
→F•Hcosα=12.76B2CHcosα
采用列表计算法计算，首先设定锚锭的长、高、宽各值（单位为米），将各值代入上述公式计算，填入下表。取安全系数K为3.0，当3FHcosα≤12.76B2CHcosα时为安全。
岩隧式锚锭设计因施工工序复杂，农村水利工程不作重点考虑，请参阅《结构力学》等有关力学专业书籍。
钢索悬索式倒虹吸工程的类型：
⑴、按管材类型可分为铸铁管、钢管和塑管三种，后一种一般作为临时使用。
塑管中又可分为固定式和移动式两种，移动式采用塑料软管，实用于灌溉次数少的作物。
塑料管一般作为单户家庭使用，可减少工程费用及劳力投入。
钢索悬索式倒虹吸工程的特点：
⑴、不占用河道，不影响河道行洪安全；⑵、可减少灌溉渠道及拦河坝的修建；⑶、解决缺水村庄的人畜饮水问题；⑷、设计复杂而施工方便、工程造价低；⑸、设计灌溉面积小，过水流量小等。
6.钢索悬索式倒虹吸输水工程施工方法（如下图所示）
⑴、基础尽量选择抗剪应力大的岩层位置，无岩层时，应加大基础体积；
⑵、钢丝绳用手动葫芦张紧，采用铝并沟线夹、蝶型线夹固定；
⑶、钢丝绳与管件的联接采用铅丝或圆筋，铅丝或圆筋应能在钢丝绳上滑动；
⑷、钢丝绳固定后，输水管的连接和钢丝绳与管件的联接在进水口端施工，出水口端挂一固定滑轮，用细绳子拉动输水管，直到移动到出水口端后再从出水口端继续施工。
钢索悬索式倒虹吸工程施工中应注意的事项：
⑴、施工中应注意钢丝绳不能扭折；
⑵、铅丝与钢管之间不能松动但与钢丝绳之间必须能滑动自如；
⑶、所有钢件必须作防锈处理：钢丝用机油或柴油，钢管、铅丝用防锈漆。
7.结束语
通过实践，不断总结经验和方法，钢索悬索式倒虹吸工程在金沙江干热河谷的万马河流域得到广泛应用。当前，所建灌溉工程和人畜饮水工程运行稳定，发挥较好的工程效益和经济效益。
我省地处云贵高原，河谷较多，此类工程在农田水利灌溉工程及人畜安全饮水工程中可推广应用。
由于本人水平和能力有限，对钢索悬索式倒虹吸工程设计理论研究浅陋，仅将实际工作中采用方法逐一论述，达到抛砖引玉目的，请广大水利专家及水利工作者批评指正，并提出宝贵意见。
参考文献资料：
[1]《云南省农村人畜饮水技术手册》•云南省水利厅农水处，1991；
[2]《悬索桥设计》•雷俊卿、郑明珠、徐恭义编箸，2002（1）；
[3]《材料力学》•洪次坤、沈养中、徐文善合编；
[4]《理论力学》•重庆建筑大学编，1999（3）；
[5]《结构力学》•华北水利水电学院雷克昌主编，1991（1）。
作者简介：
阿开成，1972年6月生，1994年6月毕业于云南省水电学校水电专业，1994年7月参加工作，2005年7月毕业于云南省农业大学水利水电工程建筑专业（专科），2013年6月毕业于河海大学水利水电工程建筑专业（本科），现在永仁县水务局工作，工程师
论文作者:阿开成
论文发表刊物:《基层建设》2016年1期
论文发表时间:2016/5/19
标签：工程论文; 钢索论文; 饮水论文; 金沙江论文; 钢丝绳论文; 人畜论文; 云南省论文; 《基层建设》2016年1期论文;