蒲振旗 徐元祿 周 騫

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局 烏魯木齊 830000)

管道水力學計算的主要內(nèi)容是確定水頭損失。水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失兩部分，通常根據(jù)這兩種水頭損失在總水頭損失中所占比重的大小，將管道分為長管及短管，長管是指水頭損失以沿程水頭損失為主，其局部損失和流速水頭在總損失中所占比重很小，計算時可以忽略不計且不影響計算精度的管道;短管是局部損失及流速水頭在總損失中占有相當?shù)谋戎?一般認為局部損失及流速水頭大于沿程損失的5%)，計算時不能忽略的管道。影響管道過水能力的主要因素有管道斷面形狀、尺寸、斷面粗糙程度以及進出口建筑物和管線縱向布置形式等。不論是按長管抑或按短管計算，管道斷面粗糙程度的界定，即糙率系數(shù)n值的取值對計算結(jié)果有很大的影響。目前，有些專著［1］和玻璃鋼生產(chǎn)廠家對玻璃鋼管糙率值，即n值的推薦值為0.0084，大多數(shù)設計單位在設計中取值為0.009。本文以已建成投入運行的新疆北疆供水工程之組成部分——小洼槽倒虹吸工程為研究對象，通過實測相關(guān)參數(shù)，經(jīng)分析計算得出了與上述n值有較大差距的結(jié)論，供同行討論、參考。

1 工程簡介

1.1 主要設計參數(shù)

新疆北疆供水工程中的小洼槽倒虹吸全長5765m，采用雙管線布置形式，地埋式敷設，管內(nèi)徑3100mm，單管設計過水流量為15.25m3/s，加大流量為17.5m3/s，工作壓力0.46MPa，管材為玻璃纖維纏繞增強熱固性樹脂夾砂壓力管(簡稱FRP管或玻璃鋼夾砂管)，管內(nèi)徑3.1m，為我國同類管材中管徑最大的工程。本工程2005年完工并試運行1個月，2006年至今投入正常使用。工程設計工作壓力0.46MPa，試驗壓力0.69MPa，管內(nèi)真空壓力0.1MPa。直管段管壁厚度58.5mm，其中內(nèi)襯厚度2.5mm，結(jié)構(gòu)層厚度55.5mm，外保護層厚0.5mm，標準管有效長度12000mm。標準管結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 主要工程量

倒虹吸管道總長2×5346m，其中FRP管長2×5187m(標準管826根，非標準管60根)、鋼制管件總長2×159m，沿管線有2×17座鎮(zhèn)墩、2×8座進、排氣閥井、2×14座人孔井、2×2座放空閥井等構(gòu)筑物;單線與管道水力學計算有關(guān)的管道連接接頭共462個、折坡點(彎管)14處、三通管24個、出口平板鋼閘門1扇。管道連接形式見圖2。

2 問題的提出

圖1 管道結(jié)構(gòu)

圖2 玻璃鋼管道連接示意圖

2007年6月上旬，北疆供水工程輸水穩(wěn)定，輸水流量接近倒虹吸設計加大流量17.5m3/s，管道以單線方式運行，運管人員在巡視檢查過程中發(fā)現(xiàn)，倒虹吸工程進口水位明顯高于設計水位值，于是組織技術(shù)人員對可能影響上游水位雍高的原因進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)倒虹吸進出口閘門均處于全開狀態(tài)，進口攔污柵前亦無雜物擁堵，經(jīng)初步實測，倒虹吸進出口水位差為4.9m，大于設計進出口水位差4.3m，由此初步判斷可能是水力學計算中糙率n值取值偏小。為了復核倒虹吸工程的過水能力，即率定本工程管道的糙率值n，運行管理單位組織專門力量開展了近一個月的實測。

3 倒虹吸工程運行工況

a.過水流量Q值穩(wěn)定。

b.進出口閘門處于全開狀態(tài)。

c.兩處放空閥處于全關(guān)狀態(tài)。

4 實測方法

4.1 過流流量測定

采用UF—9114聲路流量計采集流量數(shù)據(jù)，該設備施工期間已安裝在倒虹吸出口管段，可每秒鐘自動采集16次流量數(shù)據(jù)，且實時傳輸至控制屏。

4.2 進口進水室水位值測定

采用超聲波水位計，可每秒鐘自動采集水位數(shù)據(jù)16次且實時傳輸至控制屏。

4.3 出口消力池水位測定

倒虹吸管道出口與消力池連接，因出口消力池長30m、寬23m、尾端坎高4.2m，容積較大，經(jīng)觀察，在流量穩(wěn)定時，消力池水位變幅很小，故出口消力池水位采用測繩人工施測，且兩次施測間隔要大一些，每次實測期間采集的水位值要少一些。

5 實測水力學參數(shù)

實測數(shù)據(jù)均值見表1。

表1 實測數(shù)據(jù)均值

6 實測值合理性分析

6.1 水位值

6.1.1 進水室水位

第一次實測水位變幅值為0;第二次實測水位變幅為590.00～590.07m，變幅值為0.07m;第三次實測水位變幅為589.86～589.93m，變幅值為0.07m;第四次實測水位變幅為589.73～589.77m，變幅值為0.04m;第五次實測水位變幅為589.90～589.94m，變幅值為0.04m。五次實測水位變幅值占均值水位最大僅0.12‰，最小為0。導致水位變幅的主要因素是因為風力作用使進水室水面產(chǎn)生輕微涌浪。

6.1.2 消力池水位

第一次實測水位變幅為585.274～585.284，變幅值為0.01m;第二次實測水位變幅為585.258～585.320m，變幅值為0.062m;第三次實測水位變幅值為0;第四次實測水位變幅為585.194～585.204m，變幅值為0.01m;第五次實測水位變幅值為0。五次實測水位變幅值占均值水位最大僅0.105‰，最小為0。導致水位變幅的主要因素是風力作用使消力池水面產(chǎn)生輕微涌浪。

6.1.3 流量值

第一次實測流量變幅為17.19～17.38m3/s，變幅值為0.19m3/s;第二次實測流量變幅為17.0～17.221m3/s，變幅值為0.221m3/s;第三次實測流量變幅為16.615～16.935m3/s，變幅值為0.32m3/s;第四次實測流量變幅為16.5～16.9m3/s，變幅值為0.4m3/s;第五次實測流量變幅為16.57～16.88m3/s，變幅值為0.31m3/s。五次實測流量變幅值占均值流量最大為2.4%，最小為1.10%，小于UF—9114流量計所標識的計量誤差小于5%的誤差范圍。

7 水力學計算

7.1 基本公式

為方便計算，取上游進水室為1－1斷面，下游消力池為2－2斷面(計算簡圖見圖3)。

此區(qū)間的邊界條件比較清楚，簡化后的能量方程如下:

式中 Z1——倒虹吸進口進水室水位，m;

Z2——倒虹吸出口消力池水位，m;

∑ζi——局部水頭損失系數(shù)之和;

g——重力加速度，m/s2;

C——謝才系數(shù);

n——管道糙率;

d——管道內(nèi)徑，m;

L——管道長度，m;

Q——流量，m3/s。

7.2 局部水頭損失計算

7.2.1 彎管局損∑ζ彎管

本工程單管線總計設置彎管13個，各彎管幾何參數(shù)、局損計算詳見表2。彎管局部水頭損失計算公式:

式中 ζ——局部水頭損失系數(shù);

d——彎管內(nèi)徑，m;

ρ——彎管轉(zhuǎn)彎半徑，m;

θ ——彎管圓心角，(°)。

圖3 倒虹吸布置示意圖

表2 各彎管幾何參數(shù)及局損計算

7.2.2 進口局損ζ進口

進口為圓角，取 ζ進口=0.1［2］。

7.2.3 末端閘門槽局損ζ門槽

出口平板閘門全開，取 ζ門槽=0.4［3］。

7.2.4 出口局損ζ出口

倒虹吸管線出口接消力池，屬淹沒出流，取ζ出口=1.0［3］。

由此得出∑ζi=1.669775。

7.3 管道糙率值計算

7.3.1 按第一次實測值計算糙率值n，流量、上下游水位均取均值

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計算。

式中 λ1、λ2——玻璃鋼管段及鋼管段沿程水頭損失系數(shù);

d1、d2——玻璃鋼管和鋼管內(nèi)徑，m;本工程d1=d2=3.1m;

L1、L2——玻璃鋼及鋼管段長度，m。

取鋼制管件段糙率n=0.011(屬新管)，將已知數(shù)值 Q=17.26m3/s、z=4.89m、鋼制管件總長 159m、玻璃鋼管長5187m等代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.01062。

b.將整個管線視為玻璃鋼管道，將管線總長5346m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.01063。

7.3.2 按第二次實測值計算糙率值n

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計算:將已知數(shù)值Q=17.086m3/s、z=4.736m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.01059。

b.將整個管線視為玻璃鋼管道，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.01060。

7.3.3 按第三次實測值計算糙率值n

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計算:將已知數(shù)值Q=16.795m3/s、Z=4.623m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.01061。

b.將整個管線視為玻璃鋼管道，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.01062。

7.3.4 按第四次實測值計算糙率值n

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計算:將已知數(shù)值Q=16.65m3/s、Z=4.551m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.01062。

b.將整個管線視為玻璃鋼管道，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.01063。

7.3.5 按第五次實測值計算糙率值n

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計算:將已知數(shù)值Q=16.675m3/s、Z=4.676m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.010768。

b.將整個管線視為玻璃鋼管道，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.010775。

8 結(jié)論

a.所選倒虹吸進出口計算斷面邊界條件清楚，進出口局損系數(shù)選取準確;

b.管線彎管邊界條件詳盡，彎管局損系數(shù)計算準確;

c.管道連接為承插連接形式，形成多達462個錯臺(見圖2)，肯定會產(chǎn)生局部水頭損失，因目前尚無成熟的經(jīng)驗公式進行計算，故未予計入;

d.管道沿線設置有24個三通件(其中檢修人孔14個，內(nèi)徑700mm;進排氣閥8個，內(nèi)徑600mm;底部放空2個，內(nèi)徑300mm。)，也會產(chǎn)生局部水頭損失，本次計算中也未予計入;

e.五次實測值計算結(jié)果為:

玻璃鋼管道糙率值n=0.01059～0.010768，絕對差值為 1.78 ×10－4，均 值為 0.01064，比較差 為1.67%。所得結(jié)果較本工程設計取值(0.009)大17.67%～19.72%，較玻璃鋼生產(chǎn)廠家推薦值(0.0084)大22.5%～28.27%。因計算中未計入管道接頭和三通件產(chǎn)生的局部水頭損失，因此，求得的糙率值應稱為玻璃鋼管道的綜合糙率值。

將整個管線視為玻璃鋼管道，求得的管線綜合糙率值n=0.01060～0.010775，均值為0.01065，與兩種管材分別計算水頭損失所得結(jié)果相比，差別很小，因此，在進行玻璃鋼管道水力學計算時，當異型管材長度(管徑相同情況)占管線總長度比重小于5%時，為使計算變得簡單快捷，可將整個管線視為玻璃鋼管材，其計算結(jié)果完全滿足精度要求。

1 岳紅軍.玻璃鋼夾砂管道［M］.北京:科學出版社.1998.

2 余際可，魏璟，羅尚生，鄧綏宇.倒虹吸管［M］.北京:水利電力出版社，1983.

3 成都科技大學水力教研室.水力學［M］.北京:高等教育出版社，1982.