路 強(qiáng)

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

設(shè)計(jì)與施工

大型倒虹吸管道綜合糙率計(jì)算研究

路 強(qiáng)

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

基于新疆北疆某供水工程倒虹吸2006～2013年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該倒虹吸進(jìn)出口水位進(jìn)行管材糙率反演，用統(tǒng)計(jì)分析法并對(duì)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均后，最終得出該P(yáng)CCP管道的綜合糙率值0.0115，鋼管道的綜合糙率值0.0105，該糙率值可為高壓力、大直徑玻璃鋼管道在大型倒虹吸工程的水力學(xué)計(jì)算中糙率的取值提供依據(jù)。

嚴(yán)寒地區(qū)；大型倒虹吸；PCCP管道；鋼管道；糙率

倒虹吸是一種應(yīng)用廣泛的水利工程型式，國(guó)外應(yīng)用的較早，如以色列的北水南調(diào)工程，埃及西水東調(diào)工程，美國(guó)科羅拉多引水工程等［1-3］。近幾十年來(lái)，我國(guó)相繼建設(shè)了一批 “百千米級(jí)”的大型倒虹吸工程，代表性工程有南水北調(diào)、掌鳩河引水、引黃入晉等工程［4-6］，倒虹吸逐步向高水頭、長(zhǎng)距離和大管徑發(fā)展。隨著材料技術(shù)的發(fā)展，PCCP管、玻璃鋼管等新型管材逐漸運(yùn)用于大管徑的輸水工程，在大型倒虹吸工程和城市供水工程中得到普遍應(yīng)用。該工程倒虹吸采用PCCP+鋼管組合方案，在國(guó)內(nèi)大型輸水工程中僅此一例。本文以已建成運(yùn)行11年的倒虹吸為研究對(duì)象，通過(guò)2006～2013年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該倒虹吸進(jìn)出口水位進(jìn)行管材糙率反演，用統(tǒng)計(jì)分析法并對(duì)結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均后最終得出該P(yáng)CCP管道與鋼管的糙率值，該糙率值可為同類工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

新疆北疆供水工程穿越準(zhǔn)噶爾盆地、古爾班通古特沙漠，線路全長(zhǎng)512km。其中該倒虹吸跨越沙漠北緣的吉拉溝大洼槽，溝寬12km，溝深160m，兩端高差28.6m。地層系第三系砂巖、泥巖和風(fēng)積沙。倒虹吸由進(jìn)口段、管身段、出口段、進(jìn)口建筑物等組成（其中進(jìn)口、出口及進(jìn)口建筑物一次性建成），倒虹吸全長(zhǎng)10.93km，其中管線長(zhǎng)10.57km，設(shè)置兩根管道，兩端與引水明渠連接，最大靜水壓力1.6MPa，考慮到鋼管的造價(jià)較高，為節(jié)省工程投資，管道采用PCCP（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）與鋼管的組合方案，即1.4MPa以下采用PCCP管，管線長(zhǎng)7.39km，內(nèi)徑2.8m；1.4MPa以上采用鋼管，管線長(zhǎng)3.18km，內(nèi)徑2.7m。

工程于2005年建成通水，安全運(yùn)行11年。根據(jù)供水需求的不斷增長(zhǎng)，2015年開始實(shí)施擴(kuò)建工程，在原預(yù)留進(jìn)出口位置，再增設(shè)1條相同的管線，形成3根管道并行的工程布置格局，設(shè)計(jì)過(guò)水能力3×19m3/s。

2 工程特點(diǎn)

2.1 綜合難度大

按綜合難度系數(shù) （水頭×管徑值×管長(zhǎng)：1.6MPa×2.8m×11km=49.28）查新統(tǒng)計(jì)，3個(gè)泉倒虹吸是迄今為止亞洲最大的倒虹吸工程［7］。超特長(zhǎng)、高應(yīng)力、大變形等工程特性，對(duì)倒虹吸管道的制作、安裝、埋設(shè)、運(yùn)行管理提出了極高的要求，特別是管道伸縮節(jié)必須具有滿足軸向伸縮位移，又要滿足一定的撓曲度和偏位量。

2.2 流量變幅大

每年渠道恢復(fù)輸水前，需采用小流量1m3/s緩慢充水。輸水流量5～57m3/s。水頭高、流量變幅大、進(jìn)出口水位落差大等水力學(xué)特性，對(duì)管道充水、運(yùn)行、放空等各階段的水力安全控制技術(shù)要求高、難度大，需解決好高水頭下的消能放空和水錘防護(hù)問(wèn)題［8］。

2.3 環(huán)境氣候條件惡劣

工程區(qū)地處北緯45°以上的嚴(yán)寒地區(qū)，具有冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季炎熱干燥，春秋季寒潮頻襲，大風(fēng)天氣多，冬季最低氣溫-41.7℃、夏季最高溫度40.6℃、晝夜溫差20℃、年際溫差高達(dá)82℃。晝夜溫差、陰陽(yáng)面溫差和年際溫差大、干濕交替頻繁、凍融循環(huán)劇烈等不良?xì)夂蛱卣?，?duì)管道的應(yīng)力應(yīng)變調(diào)控提出了極高要求。特別是管基地質(zhì)條件較差，大多為第三系的膨脹泥巖和風(fēng)積沙，對(duì)管道的變形適應(yīng)能力也提出了極高要求。

3 國(guó)內(nèi)PCCP管及鋼管糙率值的選取

國(guó)內(nèi)PCCP管起步晚，發(fā)展快，北京懷柔應(yīng)急供水工程、北京張坊應(yīng)急供水工程、呼和浩特市引黃供水工程在設(shè)計(jì)時(shí)PCCP管道糙率取值0.0125，哈爾濱磨盤山輸水工程管道PCCP糙率取值0.0115，深圳市供水網(wǎng)絡(luò)工程管道PCCP糙率取值0.0110，山西萬(wàn)家寨引黃供水工程PCCP管道糙率取值0.012～0.0125［9］；鋼管在國(guó)內(nèi)輸水管道應(yīng)用較早，先明峽倒虹吸鋼管糙率取值0.012［10］，SGQ倒虹吸一期一步工程糙率取值0.012［11］。PCCP管道與鋼管道在實(shí)際水力學(xué)計(jì)算中糙率的取值對(duì)結(jié)果有很大影響，管道實(shí)際綜合糙率值是多少則需要用實(shí)踐來(lái)確定。

4 倒虹吸管道實(shí)際糙率反算

4.1 計(jì)算條件

該倒虹吸管道沿線內(nèi)水壓力監(jiān)測(cè)：沿管線布設(shè)20個(gè)測(cè)點(diǎn)（AP1～AP20），其中奇數(shù)測(cè)點(diǎn)布置在左側(cè)管道上，偶數(shù)測(cè)點(diǎn)布置在右側(cè)管道上。樁號(hào)分別為：0+575，2+150，3+925，5+050，6+447，8+025，8+975，9+533，10+075，10+375。分別在進(jìn)人孔管道擋板上開孔，安裝測(cè)壓計(jì)。

4.2 倒虹吸管道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)整理

以2011～2013年5～9月較為完整的倒虹吸管道運(yùn)行時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該倒虹吸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分別繪出不同年份左右側(cè)管道關(guān)閉和運(yùn)行狀態(tài)下管線沿程總水頭線，如圖1～圖4。

圖1 左側(cè)管道全關(guān)時(shí)沿程總水頭線

圖2 右側(cè)管道全關(guān)時(shí)沿程總水頭線

圖3 左側(cè)管道運(yùn)行時(shí)沿程總水頭線

圖4 右側(cè)管道運(yùn)行時(shí)沿程總水頭線

由圖1～圖4可見，2011～2013年，雖然左右側(cè)管道工作閘門關(guān)閉和閘門開啟運(yùn)行時(shí)沿程總水頭線均不符合理論規(guī)律，但不同時(shí)間實(shí)測(cè)的沿程各測(cè)點(diǎn)壓力波動(dòng)分布規(guī)律基本一致，分析認(rèn)為壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)在斷電重啟后讀數(shù)歸零引起的。

4.3 倒虹吸管道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正

針對(duì)不同年份不同管道，首先根據(jù)管道工作閘門關(guān)閉狀態(tài)下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將倒虹吸進(jìn)口前水位作為基準(zhǔn)值，將管道內(nèi)10個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力分別加上一個(gè)修正值得到與進(jìn)口前相同的總水頭，對(duì)得到的各測(cè)點(diǎn)修正值進(jìn)行平均，得到了不同年份不同管道各測(cè)點(diǎn)的初始?jí)毫π拚怠＠酶鳒y(cè)點(diǎn)修正值對(duì)其相應(yīng)年份的管道運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)測(cè)壓力值修正，便得到管道運(yùn)行工況下實(shí)際的沿程總水頭線，如圖5～圖10。

圖5 2011年左側(cè)管道修正后沿程總水頭線

圖6 2011年右側(cè)管道修正后總水頭線

圖7 2012年左側(cè)管道修正后總水頭線

圖8 2012年右側(cè)管道修正后總水頭線

圖9 2013年左側(cè)管道修正后總水頭線

圖10 2013年右側(cè)管道修正后總水頭線

由修正后的沿程總水頭線可見，2011年份，左右側(cè)管道沿程總水頭線基本呈下降趨勢(shì)；2012年，右側(cè)管道沿程總水頭線也基本呈下降趨勢(shì)，而左側(cè)管道在9#測(cè)點(diǎn)以后，即在鋼管段后總水頭線分布雜亂無(wú)章；2013年未提供左側(cè)管道工作閘門全關(guān)時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，故采用2011年左側(cè)管道測(cè)點(diǎn)修正值，修正后沿程總水頭線也基本呈下降趨勢(shì)，右側(cè)管道在鋼管及其后管段部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)本身就比較雜亂，故修正后的總水頭線分布在前半部分呈下降趨勢(shì)，后半部分仍雜亂。 由于該倒虹吸1#，2#，9#，10#，15#，16#測(cè)點(diǎn)為高精度脈沖壓力傳感器，即每根管道中有3個(gè)測(cè)點(diǎn)為高精度脈沖傳感器，由原始數(shù)據(jù)也可看出，該3點(diǎn)數(shù)據(jù)均優(yōu)于其他測(cè)點(diǎn)，因此，初始?jí)毫π拚罄?#～9#，2#～10#4個(gè)測(cè)點(diǎn)分別反算左右管道PCCP段糙率，用9#～15#，10#～6#測(cè)點(diǎn)分別反算左右管道鋼管糙率。

4.4 倒虹吸管道水力學(xué)計(jì)算

該倒虹吸為有壓管道，可利用進(jìn)出口水位進(jìn)行管材糙率反算。如式（1）：

式中 Re為雷諾數(shù)；v為管道流速（m/s）；d為管道直徑（m），取3.1m；γ 為水流運(yùn)動(dòng)黏度（cm2/s），取0.0101 cm2/s。

式中 hf為管道的沿程損失（m）；λ為沿程損失系數(shù)；L為管長(zhǎng)（m）；g為重力加速度（N/kg）；C為謝才系數(shù)；n為管道糙率；R為管道水力半徑。

由式（1）計(jì)算PCCP和鋼管內(nèi)水流雷諾數(shù)，計(jì)算的每組工況下，管道內(nèi)水流雷諾數(shù)均大于，由工程經(jīng)驗(yàn)可判斷，管道內(nèi)為紊流粗糙區(qū)，因此，可采用式（2）～式（4）進(jìn)行糙率反算。

管線沿程設(shè)有諸多進(jìn)人孔、T形盲孔及管道連接頭等，這些均可造成局部損失，該倒虹吸管道1#～9#，2#～10#測(cè)點(diǎn)間均設(shè)有13個(gè)進(jìn)人孔及T形盲孔，9#～15#，10#～16#測(cè)點(diǎn)間也均設(shè)有13個(gè)進(jìn)人孔及T形盲孔，計(jì)算時(shí)每個(gè)進(jìn)人孔及T形盲孔局損系數(shù)均取0.01，至于管道連接頭，由于數(shù)目未知，將其并入沿程損失中考慮。反算結(jié)果如圖11～圖21，并分別將PCCP和鋼管糙率分布范圍繪成餅狀圖如圖22～圖23，統(tǒng)計(jì)2011～2013年兩種管材的糙率范圍如表1。

圖11 反算2011年左側(cè)管道糙率

圖12 反算2011年右側(cè)管道糙率

圖13 反算2011年左側(cè)管道糙率

圖14 反算2011年右側(cè)管道糙率

圖15 反算2012年左側(cè)管道糙率

圖16 反算2012年右側(cè)管道糙率

圖17 反算2012年左側(cè)管道糙率

圖18 反算2012年右側(cè)管道糙率

圖19 反算2013年左側(cè)管道糙率

圖20 反算2013年右側(cè)管道糙率

圖21 反算2013年左側(cè)管道鋼管糙率

表1 2011～2013年反算2種管材糙率值

圖22 PCCP管道糙率分布

圖23 鋼管糙率分布

由圖22～23可見，PCCP和鋼管某一糙率出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)的比例較為均勻。計(jì)算結(jié)果PCCP管材糙率0.0100～0.0130，平均可取0.0115；鋼管糙率0.0095～0.0115，平均可取0.0105。在復(fù)核泄流能力時(shí)，為使計(jì)算結(jié)果偏于安全，PCCP管材糙率取0.0125，鋼管糙率取0.0115。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）2007～2011年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，糙率散點(diǎn)分布集中性較差，2012年及2013年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)較多，糙率散點(diǎn)分布集中性也相對(duì)較好，其中2012年反算出的玻璃鋼糙率0.011～0.012，2013年反算出的糙率0.0106～0.011。綜合2007～2013年反算的管道某一糙率出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)的比例如圖16，0.0107～0.0112所占比例明顯大于其他糙率所占比例，因此，對(duì)其加權(quán)平均后該倒虹吸管的沿程綜合糙率可取0.0109。

（2）考慮該倒虹吸管材單一，選取管道全開運(yùn)行時(shí)上下游水頭差進(jìn)行管道沿程綜合糙率反算，反算時(shí)剔除進(jìn)口、閘門槽、出口圓變方及出口處局部損失的影響，反算出玻璃鋼沿程綜合糙率（含管道接頭）0.0106～0.012，根據(jù)某一糙率出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)比例，對(duì)所占比例較大的幾組糙率取加權(quán)平均值0.0109。

（3）對(duì)該大型倒虹吸管道（PCCP+鋼管組合）2007～2013年實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。最終得出PCCP管道糙率平均取值0.0115（含管道接頭）、鋼管糙率平均取值0.0105（含管道接頭）。該糙率值可為高壓力、大直徑PCCP管及鋼管道在大型倒虹吸工程的水力學(xué)計(jì)算中糙率的取值提供依據(jù)。

［1］魏昌林.以色列北水南調(diào)工程［J］.世界農(nóng)業(yè)，2010（10）：29-30.

［2］魏昌林.埃及西水東調(diào)工程［J］.世界農(nóng)業(yè)，2001（8）：26-28.

［3］汪秀麗.國(guó)外流域和地區(qū)著名的調(diào)水工程［J］.水利電力科技，2004，30（1）：1-25.

［4］徐匯.引大入秦工程總干渠先明峽倒虹吸壓力鋼管設(shè)計(jì)［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2008，44（6）：383-385.

［5］陳敏.高水頭、長(zhǎng)距離倒虹吸壓力鋼管道整體水壓試驗(yàn)［J］.水利電力機(jī)械，2007，29（5）：12-15.

［6］李明，楊開林.引黃入晉北干線倒虹吸輸水工程的水擊壓力控制［J］.南水北調(diào)與水利科技，2011，9（6）：146-149.

［7］石泉，張立德，李紅偉.大型倒虹吸工程設(shè)計(jì)與施工［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.

［8］陳湧城.長(zhǎng)距離管道輸水工程的安全性及水錘危害防護(hù)技術(shù)［J］.給水排水，2014，4（3）.

［9］劉進(jìn)，王東黎，楊進(jìn)新.南水北調(diào)中線PCCP管道的摩阻損失計(jì)算分析［J］.南水北調(diào)與水利科技，2008，6（1）：231-234.

［10］陳曉東.先明峽倒虹吸管工程設(shè)計(jì)［J］.水電站設(shè)計(jì)，2000，16（4）：6-14.

［11］中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.SGQ倒虹吸進(jìn)出口水工模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.2001.

（責(zé)任編輯：王艷肖）

The research of synthesis roughness calculation about Large inverted siphon pipe

LU Qiang
（Xinjiang Scientific Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

This article is based on the measured data of a siphon water supply project from 2006 to 2013 in Northern Xinjiang， the water pipe roughness inversion of the import and export of inverted siphon with statistical analysis method，the results are weighted average.Finally concluded that the PCCP pipeline comprehensive roughness value of 0.0115，steel pipe composite roughness value was 0.0105.The roughness values could be provided basis for hydraulic calculation of roughness values of high pressure，large diameter FRP pipe in large inverted siphon project.

cold region；large inverted siphon； PCCP pipeline；steel pipe；roughness

TV222

B

1672-9900（2017）03-0020-06

2017-03-08

路 強(qiáng)（1982-），男（漢族），甘肅武威人，工程師，主要從事水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究工作，（Tel）15276678190。