大管徑壓力管道輸水工程水力計(jì)算分析

范勇鋒

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

大管徑壓力管道輸水工程水力計(jì)算分析

范勇鋒

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

北疆某輸水工程中的一段泵站揚(yáng)水壓力管線，其管徑較大，線路較長(zhǎng)。因泵站的揚(yáng)程與管道水頭損失密切相關(guān)，因此，文章重點(diǎn)分析了曼寧公式和達(dá)西公式兩種不同的方法下的水頭損失情況，最終確定出適合本工程的計(jì)算方法。

水頭損失 曼寧公式 達(dá)西公式

1 工程概況

本工程為北疆地區(qū)長(zhǎng)距離調(diào)水項(xiàng)目，其中揚(yáng)水壓力管道主要布置在泵站與隧洞之間，設(shè)計(jì)流量為13 m3/s，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程186 m。壓力管道總長(zhǎng)11.16 km，采用雙根管布置，管徑為DN2400 mm，最大工作壓力1.98 MPa。前段高壓管采用涂塑鋼管，管線長(zhǎng)7.34 km，后段低壓管采用PCCP管，管線長(zhǎng)3.82 km。

2 計(jì)算分析

采用通用達(dá)西公式和曼寧公式兩種計(jì)算方法進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算。

2.1 達(dá)西公式

式中 hf——沿程水頭損失（m）；

l——管道長(zhǎng)度（m）；

d——管道計(jì)算內(nèi)徑（m）；

g——重力加速度（m/s2）；

1——管道長(zhǎng)度（m）；

V——管內(nèi)平均流速（m/s）；

△——管道當(dāng)量粗糙度（mm）；

ν——水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，計(jì)算按取1.310× 10-6m2/s。

其中計(jì)算沿程阻力系數(shù)λ時(shí)，當(dāng)量粗糙度△取值很關(guān)鍵，其取值介紹如下：

（1）高壓段涂塑鋼管。

① 《水力計(jì)算手冊(cè)》中提到有關(guān)鋼管當(dāng)量粗糙度值見表1。

表1 鋼道當(dāng)量粗糙度取值表 mm

② 國(guó)外有關(guān)鋼管粗糙度的數(shù)據(jù)見表2。

③ 論文《管道內(nèi)壁粗糙度的確定》和《管道絕對(duì)當(dāng)量粗糙度的取值及其影響分析》中分析建議設(shè)計(jì)中鋼管粗糙度采用0.01 mm是比較可靠的值。

綜上，本計(jì)算中，涂塑鋼管粗糙度取0.01 mm。

表2 國(guó)外有關(guān)鋼道粗糙度取值表 mm

（2）低壓段PCCP管。

① 《水力計(jì)算手冊(cè)》中提到“光滑的混凝土管”粗糙度值為（0.30～1.33）mm。

② 論文《南水北調(diào)中線PCCP管道的摩阻損失計(jì)算分析》。其中計(jì)算采用天津市水科所的試驗(yàn)結(jié)論：PCCP管當(dāng)量粗糙度為0.128 mm。

本次計(jì)算參考其取值亦為0.128 mm。

采用達(dá)西公式計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 水力學(xué)計(jì)算結(jié)果表（達(dá)西公式）

2.2 曼寧公式

該公式是由謝才公式推導(dǎo)而來，謝才系數(shù)C公式為：

曼寧公式計(jì)算中，糙率n的取值很重要，高壓段和低壓段管材糙率取值如下：

（1）高壓段涂塑鋼管。

由于工程實(shí)例中大口徑涂塑鋼管應(yīng)用較少，根據(jù)管道生產(chǎn)廠家涂塑鋼管產(chǎn)品經(jīng)中國(guó)水科院試驗(yàn)測(cè)糙率值在（0.008 1～0.009 1）。

另外通過與達(dá)西公式比較，采用沿程阻力系數(shù)等效原則，換算得當(dāng)量粗糙度取10 μm時(shí)相當(dāng)于糙率值為0.010。

目前與本工程管徑相當(dāng)?shù)耐克茕摴懿诼蕯?shù)據(jù)很少，基于偏保守安全，計(jì)算中涂塑鋼管糙率取值為0.010。

（2）低壓段PCCP管。

① 根據(jù)《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范）》SL 702-2015，規(guī)范中建議PCCP管道糙率取值為n= 0.010～0.0125。

② 我國(guó)已建PCCP管道工程的糙率值，見表4。

表4 我國(guó)已建PCCP管道工程的糙率統(tǒng)計(jì)表 mm

從以上表中數(shù)據(jù)可以看出，目前，PCCP糙率最小設(shè)計(jì)值（0.011～0.012 5）之間。

③ 新疆引額濟(jì)烏一期一步工程中，3個(gè)泉倒虹吸工程中采用雙根DN2800 PCCP管，長(zhǎng)科院通過對(duì)歷年工程運(yùn)行資料分析，進(jìn)行糙率反演計(jì)算，得到PCCP管材糙率為（0.010 0～0.013 0），平均可取為0.011 5。

綜上所述，在進(jìn)行水力設(shè)計(jì)時(shí)，基于保守安全計(jì)算，PCCP管的糙率取n=0.012。

采用曼寧公式計(jì)算結(jié)果見表5。

3 結(jié) 論

通過以上計(jì)算可以看出，兩種方法計(jì)算的水損值相差 0.6%，幾乎相同。因此對(duì)于本工程壓力管道水力學(xué)兩種方法都合適。本工程最終計(jì)算采用使用范圍更廣，考慮了流速及運(yùn)動(dòng)黏度的達(dá)西公式。

表5 水力學(xué)計(jì)算結(jié)果表（曼寧公式）

[1]清華大學(xué).水力學(xué)（上冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，1995.

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[3]王雪原，黃慎勇，付忠志.長(zhǎng)輸管道水力計(jì)算公式選用注意的問題[J].西南給排水，2006，（02）：16-19.

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[5]陳鳳，余漢成，孫在蓉，等.管道內(nèi)壁粗糙度的確定[J].天然氣與石油，2007，（06）：8-10.

2017-01-26）

范勇鋒（1984-），男，陜西渭南人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。