貴州山區(qū)長距離輸水管道局部水頭損失計算分析

（貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002）

近年來，貴州省因地制宜，全面推進各地區(qū)水利事業(yè)建設，2017年近百座中小型水庫前期設計獲得批復，全省新開工骨干水源工程60余座，水利事業(yè)蓬勃發(fā)展。由于區(qū)域地形地貌等自然條件因素，輸水建筑物主要以管道為主，因此管道水力計算成果的準確性對輸水能力和工程效益的發(fā)揮十分重要。在工程前期階段設計工作中，計算輸水管道水力時，借鑒相關(guān)規(guī)范和文獻，局部水頭損失按沿程水頭損失的5%～10%考慮［1-6］；但在工程實踐中，受區(qū)域地形地貌等影響，按該比例估算的局部水頭損失往往不能滿足實施階段建筑物布置要求。因此，本文對已建、在建水庫前期設計階段與實施階段輸水管道工程水力計算成果進行對比分析，得出局部水頭損失與沿程水頭損失相對關(guān)系，以供擬建項目前期設計階段管道水力計算參考。

1 管徑、流速選擇

一般輸水管道管徑初步按經(jīng)濟流速確定，結(jié)合管材選擇、水力計算成果和建筑物布置等要求最終確定。現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范和有關(guān)文獻中列述，壓力輸水管道設計流速不宜小于0.6 m/s，且不宜大于3 m/s［1］，實際工作中通常按1.2～2.5 m/s初步確定管徑［4］。

管徑的選擇直接影響建筑物布置和工程投資，按經(jīng)驗經(jīng)濟流速確定的管徑對某些工程并不一定經(jīng)濟；特別是對于山區(qū)水利工程，由于自然條件的限制，輸水線路的布置空間有限，輸水壓力水頭較為寶貴。因此，通常選擇較大管徑低流速輸水。通過對貴州地區(qū)部分已建、在建大中型水庫工程輸水管道流速進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，設計流速一般為1.0～2.0 m/s，大部分流速在1.5 m/s左右。工程應用中，管徑選擇可在經(jīng)驗流速附近進行試算，結(jié)合其他影響因素綜合確定［7-8］。

2 管道局部水頭損失分析

2.1 計算原則

管道局部水頭損失影響因素較多，為了使分析成果具有可參考性，需要對輸水管道進行水力計算和定性定量分析，主要依據(jù)原則如下。

（1）選擇貴州地區(qū)具有代表性的大中型已建、在建水利工程，選擇長距離供水管道作為研究對象。

（2）為了便于計算分析，僅考慮管身段水力因素，不包括進出口段水力影響。

（3）管材、管徑D由各種影響因素綜合確定，不對各工程輸水管道管材、管徑選擇做詳細分析，管材主要包括玻璃鋼夾砂管、球墨鑄鐵管和鋼管，糙率分別為0.009，0.013和0.013。

（4）管道轉(zhuǎn)彎半徑R。①玻璃鋼夾砂管：DN＜1 200，R取值1.5D；DN≥1 200，R取值1.0D；②球墨鑄鐵管：DN≤1 400，R取值1.0D；DN＞1 400，R取值0.8D；鋼管：R取值3.0D。

（5）管道水力計算中，過水斷面糙率一致，因其他原因引起的糙率變化忽略不計。

（6）分析管段不含支管，管材統(tǒng)一，流量損失忽略不計。

（7）由于水利工程建設前期設計階段對相關(guān)設計工作精度要求不同，管道水力計算分析中局部水頭損失通常按沿程水頭損失的10%考慮。

（8）實施階段充分考慮輸水管道布置引起的局部水頭損失變化，分析管段轉(zhuǎn)彎位置均為圓弧彎頭。

（9）按恒定均勻流進行管道水力計算分析。

2.2 計算理論與方法

輸水管道水力計算內(nèi)容主要包括沿程水頭損失和局部水頭損失，其中沿程水頭損失按達西-魏斯巴哈公式和曼寧公式計算［1-4］。

達西-魏斯巴哈公式為

式中，hf為管道沿程水頭損失，m；L為管道長度，m；d為管道內(nèi)徑，m；v為管道過水斷面的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；λ為沿程水頭損失，λ=8 g/C2。

曼寧公式為

式中，R為水力半徑，m；n為糙率。局部水頭損失計算公式為

式中，ζ為局部水頭損失系數(shù)，其數(shù)值主要受水流局部變化、邊界幾何形狀、尺寸等影響。

2.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)工程分布，選擇具有區(qū)域代表性的大中型水庫工程中輸水管道水力計算成果進行匯總分析，見表1。該研究僅選擇了人畜飲水或工業(yè)用水輸水管道，管徑相對較小，個別工程由于處于山區(qū)，管道布置線路較長，雖然管徑較大但也納入了分析范圍。

通過對結(jié)果進行初步分析，在同等條件下，由于轉(zhuǎn)彎半徑的不同，各管材對應的局部水頭損失所占沿程水頭損失比例不相同。同時，受地形條件、輸水管道布置影響，相同管材在同等規(guī)格和流速相當?shù)那闆r下，局部水頭損失所占沿程水頭損失比例差異較大，特別是大口徑輸水管道，該比例甚至達到60%左右。3種管材中，由于鋼管轉(zhuǎn)彎半徑相對較大，在地形條件較好、非連續(xù)起伏波浪布置、管道流速不大時，前期設計水力計算中局部水頭損失可以按沿程水頭損失的10%初步估算，其余兩種管材輸水管道局部水頭損失占沿程水頭損的10%～20%，輸水流速在1.0～1.7 m/s之間。

通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進行離散分析（見圖1～2），當輸水管徑在0.5～1.6 m、流速分布在0.8～1.6 m/s之間時，輸水管道局部水頭損失占沿程水頭比例約為3%～20%；受地形條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等影響，該比例可能較大，本次樣本分析中最高可達沿程水頭損失的75%。

圖1 管徑-局部水頭損失占沿程水頭損失比例離散圖

3 管道布置對局部水頭損失計算的影響

貴州省以山地、丘陵為主，平原較少，可用于農(nóng)業(yè)開發(fā)的土地資源有限，人均耕地面積不到500 m2（0.05 hm2），村寨主要分布在地勢平坦、條件相對較好的區(qū)域。為避免工程建設和運行管理對附近居民生活生產(chǎn)造成較大影響，主要輸水管道布置一般遠離村寨，加之山丘峰巒疊嶂，布置剖面連續(xù)起伏，造成管道安裝轉(zhuǎn)彎點較多。在平原地區(qū)或地形條件較好的情況下根據(jù)沿程水頭損失估算局部水頭損失，但估算結(jié)果往往與實際情況相差較大。除了管道自身結(jié)構(gòu)要求外，管道布置直接影響了局部水頭損失計算。

圖2 流速-局部水頭損失占沿程水頭損失比例離散圖

工程前期設計階段，特別是管道選線，當輸水壓力水頭控制較為嚴格時，應充分結(jié)合效益區(qū)和輻射區(qū)地形、地貌、地質(zhì)條件，盡量選擇地勢平坦區(qū)域布置線路，減少局部水頭損失。受自然條件、社會等客觀因素影響，當管線布置區(qū)域條件較差，沿線地形較陡、地勢起伏較大時，局部水頭損失估算應考慮采用所占沿程水頭損失比例較大值或根據(jù)實際布置計算。

表1 輸水管道水力計算成果匯總

4 局部水頭損失對工程建設的影響

在工程前期設計工作中，特別是管道前后連接其他建筑物時，局部水頭損失計算是否準確，對實施階段各輸水建筑物建設影響較大，尤其是長距離輸水管道，情況嚴重時直接影響其他建筑物型式的調(diào)整，增加工程建設投資成本。

若前期輸水管道水力計算局部水頭損失考慮過于保守，則會引起后續(xù)建筑物布置高程降低、壓力水頭浪費較多、供水范圍縮小，影響工程效益的發(fā)揮；同時可能影響工程建設經(jīng)濟指標，造成水資源不能合理開發(fā)利用。因此，在滿足工作要求的情況下，如何較為準確合理地計算輸水管道局部水頭損失至關(guān)重要，在一定程度上將影響工程正常建設和功能效益發(fā)揮。

5 結(jié)論

山區(qū)長距離輸水管道的局部水頭損失是管線設計中最基本，也是最重要的計算參數(shù)之一，本文結(jié)合實際工程進行對比分析，得出以下幾點結(jié)論。

（1）山區(qū)長距離輸水管道設計中，當管徑為0.5～1.6 m、流速為0.8～1.6 m/s時，局部水頭損失占沿程水頭比例為3%～20%；地形條件復雜的區(qū)域，甚至可達到60%左右。局部水頭損失較大的主要原因是山區(qū)長距離輸水線路起伏較大且分布較多，造成管道轉(zhuǎn)彎點多，加大局部水頭損失。

（2）山區(qū)長距離輸水管道前期設計時，局部水頭損失若仍按沿程水頭損失的5%～10%考慮，后期施工圖設計時容易出現(xiàn)不能滿足建筑物布置要求等問題，因此應結(jié)合地形圖資料精度、管材、管徑、流速、管道布置等進行綜合考慮分析，使局部水頭損失計算科學合理，避免后期由于局部水頭損失引起較大的設計變更。

（3）由于本文分析對象樣本容量有限，其分析成果具有一定區(qū)域性和局限性，還需要進行更為詳細、深入的進一步研究。