有壓引水管道經(jīng)濟(jì)流速的確定

吳 軍

(望江縣水利局，安徽 望江 246200)

在灌溉和城鎮(zhèn)供水的蓄水樞紐中，有壓引水管道直徑的合理選擇對工程投資的影響較大，其直徑的選擇取決于經(jīng)濟(jì)流速。而經(jīng)濟(jì)流速又是由工程實(shí)踐中經(jīng)濟(jì)比較確定的。

1 卡扎蓄水樞紐設(shè)計(jì)概況與問題分析

我省水安建設(shè)集團(tuán)有限公司在埃塞俄比亞承接了卡扎蓄水樞紐的建設(shè)任務(wù)。

卡扎蓄水樞紐最大庫容3.23×108m3，最大壩高57m，壩長2.5km，水庫最大水位790.75m，水庫正常水位787.45 m，死水位763.07m，總投資4.44億元人民幣。其中城鄉(xiāng)供水流量1.0 m3/s，采用長200m、直徑0.4m鑄鐵管有壓引水，在管道出口設(shè)置控制閥門，底板高程為763.07m。運(yùn)行時(shí)上游最小淹沒深度7.09m。灌溉流量28.41.0 m3/s。

按供水規(guī)模和壓力管道的直徑，管道的流速為V=7.96m/s,并存在沿程水頭損失和進(jìn)口、閥門等局部水頭損失，計(jì)算如下：

流速水頭：h1=V2/2g；

沿程水頭損失：h2=(λl/d)h1

局部水頭損失：h3= (ξ1+ξ2)h1

其中，λ為沿程阻力系數(shù)，0.008；l為管道長度，200m；d為管道直徑，0.4m；ξ1、ξ2分別為管道進(jìn)口及閥門處局部水頭損失系數(shù)，0.2、0.06。運(yùn)行時(shí)上游最小淹沒深度為：

Σh= h1+ h2+ h3=3.23m+12m+0.84m=16.07m

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)2個(gè)問題：

一是原設(shè)計(jì)淹沒深度7.09m計(jì)算錯(cuò)誤，按原設(shè)計(jì)計(jì)算，滿足供水要求水位為787.45 m～770.16m。實(shí)際淹沒深度16.07m，滿足供水要求水位為787.45m～779.14m，當(dāng)興利水位不變時(shí)，興利庫容不能滿足設(shè)計(jì)興利要求；當(dāng)水位降落至779.14m以下運(yùn)行時(shí)，供水流量將小于1.0 m3/s，水位為770.16m時(shí)，流量只有0.664m3/s，不能保證設(shè)計(jì)供水流量。如表1所列。

表1 管道流量與運(yùn)行水位關(guān)系表

二是其供水管道的直徑較小，流速太大。管道的流速水頭及水頭損失很大，抬高了滿足供水要求的水庫最低運(yùn)行水位，從而抬高了興利水位和壩頂高程。這就增大了項(xiàng)目的工程總投資。

確定經(jīng)濟(jì)流速，從而選擇合理的管道直徑，使整個(gè)樞紐工程投資最經(jīng)濟(jì)，是問題的重點(diǎn)。

2 供水管道直徑的調(diào)整與投資比較

現(xiàn)按0.1m增加管道直徑，分別計(jì)算水頭損失、興利水位，并重新估算項(xiàng)目總投資.如表2所列：

表2 管道直徑與項(xiàng)目投資關(guān)系估算表(流量均為1.0m3/s)

注：①興利水位的變化同時(shí)考慮了28.4m3/s的灌溉用水；②投資估算考慮了壩體投資、淹沒損失及管道和溢洪道投資的變化。

由有壓管道直徑與項(xiàng)目投資關(guān)系估算表可見，流速從8.0 m/s降低到5.0 m/s，項(xiàng)目估算投資下降較大；流速從5.0 m/s降低到3.5 m/s時(shí)，項(xiàng)目估算投資下降趨勢顯著減小；流速在3.5m/s～2.6 m/s時(shí)，項(xiàng)目估算投資沒有明顯變化；流速從2.6 m/s降低到2.0 m/s時(shí)，項(xiàng)目估算投資反而有所增加。

3 有壓引水管道經(jīng)濟(jì)直徑的確定

從卡扎蓄水樞紐的案例可見，有壓引水管道的經(jīng)濟(jì)流速在2.5m/s～3.5m/s之間，但每個(gè)蓄水樞紐的規(guī)模，設(shè)計(jì)供水流量、供水量對興利庫容的占比等都有所不同，不一定具有普遍的代表性；用同樣的方法對我省廣德縣小(一)型陽山水庫進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，得出的經(jīng)濟(jì)流速在2.7m/s～3.9m/s之間。

考慮到不同蓄水樞紐的特點(diǎn)和管道直徑取值的局限性，經(jīng)濟(jì)流速的取值范圍可適當(dāng)擴(kuò)展。根據(jù)以上計(jì)算及分析，灌溉兼有供水的蓄水樞紐有壓引水管道經(jīng)濟(jì)流速在2.5m/s～4.0m/s之間。

4 結(jié)束語

我國對水電站的供水管道的經(jīng)濟(jì)流速有廣泛的研究，如壓力鋼管的經(jīng)濟(jì)流速在4.0m/s～6.0m/s之間，但其主要考慮管道建設(shè)投資與發(fā)電出力之間的關(guān)系。對灌溉和供水管道經(jīng)濟(jì)流速的研究甚少，希望本文對灌溉和供水流量相對較大的蓄水樞紐的設(shè)計(jì)能提供參考或借鑒。