椒花水庫供水管線水力計算

沈 斯

（長沙市水利水電勘測設計院，湖南 長沙 410008）

1 工程概況

椒花水庫工程位于湖南省瀏陽市和長沙縣，主要包括水庫樞紐工程、大溪河引水工程、供水工程三部分，水庫總庫容17 014 萬m3，水庫壩址距達滸鎮5 km，距瀏陽市40 km，壩址控制流域面積132.5 km2。是一座以城鎮生活和工業供水、防洪為主，兼顧灌溉、發電和下游生態環境補水等綜合利用的大（Ⅱ）型水庫。水庫樞紐壩址位于瀏陽河上游大溪河流域左岸一級支流椒花河下游。

椒花水庫正常水位為180.0 m，死水位為134.0 m，發電站尾水水位133.0 m，受水點瀏陽市主城區規劃四水廠、金陽新區規劃北園水廠和長沙縣城區規劃星沙二水廠要求送達的水位分別為107 m、85 m、50 m，水庫至3 處供水受水點的直線距離分別為45 km、57 km 和85 km。

2 供水工程線路布置方案

供水工程通過無壓隧洞、有壓隧洞和埋管重力自流輸水。供水管線沿途設置瀏陽主城區、金陽新區和長沙縣分水口，分別為瀏陽主城區、金陽新區和長沙縣供水。

供水線路分為供水主線及支線：供水主線為椒花水庫至長沙縣星沙二水廠，從電站尾水池接出后，整體向西南方向布設，在蕉溪嶺隧洞內設瀏陽主城區分水口，出隧洞后向西至北盛鎮北側設金陽新區分水口，后繼續向西至星沙二水廠。供水支線分別為瀏陽支線（瀏陽主城區分水口至瀏陽市主城區規劃四水廠）及金陽支線（金陽新區分水口至北園水廠）。供水主線及支線水平投影總長103 024.6 m。其中：主線水平投影總長95 932.6 m，支線水平投影總長7 092 m。

供水工程主線分為上游段、蕉溪嶺隧洞段、下游段共三段。

上游段為發電站尾水池～瀏陽主城區分水口，總長35 659.6 m，共有5 處隧洞，5 段埋管，1 處箱涵（97.2 m）。隧洞總長7 271.0 m，壓力埋管總長28 291.4 m。上游段基本為有壓供水，僅在線路進口處有97.2 m 無壓箱涵。無壓箱涵采用調節池與下游有壓隧洞相接，其余有壓隧洞與埋管均采用壓力箱相接。

蕉溪嶺隧洞段為瀏陽主城區分水口～蕉溪嶺隧洞出口，總長14 161.2 m，其中洞身段長14 105.0 m，瀏陽分水口以上隧洞斷面尺寸為2.4 m×2.8 m（B×H），長度為4 847.6 m，瀏陽分水口以下隧洞斷面尺寸為2.2 m×2.8 m（B×H），長度為9 257.4 m。蕉溪嶺隧洞段為無壓供水段，進出口均采用調節池與有壓管道相接。

下游段為蕉溪嶺隧洞出口～星沙二水廠，總長46 111.8 m，共有1 處隧洞，2 段壓力埋管，隧洞長2 731.2 m，壓力埋管總長43 380.6 m。隧洞為有壓供水，有壓隧洞與埋管采用壓力箱相接。

瀏陽支線長度為6 482 m，其中1 處隧洞，1 處箱涵，1 段壓力管道，隧洞洞身長4 817.0 m，為無壓隧洞，隧洞出口為無壓箱涵，長43.0 m，箱涵下游接有壓埋管，長1 622 m。無壓箱涵與有壓管道采用調節池相接。

金陽支線長度為610 m，為壓力埋管。

供水管線共設66 座排水閥井、139 座空氣閥井、30 座檢修閥井。

3 供水線路水頭要求

本工程供水方式為以有壓為主的重力供水，各段要求的水頭特點如下：

1）星沙二水廠：供水管道進水口水位為133.0 m，受水點要求水位為50.0 m，總水頭為83.0 m，管線長度約為96.0 km，分配平均水頭為0.86 m/km；

2）北園水廠：供水管道進水口水位為133.0 m，受水點要求水位為85.0 m，總水頭為48.0 m，管線長度約為63.6 km，分配平均水頭為0.75 m/km；

3）瀏陽四水廠：供水管道進水口水位為133.0 m，受水點要求水位為107.0 m，總水頭為26.0 m，管線長度約為47.0 km，分配平均水頭為0.55 m/km。

從上面可以看出，各受水點控制性水頭高程為瀏陽四水廠。

4 供水管線恒定流水力計算

4.1 特征流量

供水線路各段特征流量見表1。

表1 供水線路各段設計流量表 m3/s

4.2 糙率確定

糙率的取值不僅要考慮運行初期滿足過流要求，還要考慮長期運行后管道糙率的變化。設計糙率取值過大，長期運行的實際糙率小于此值，會造成浪費，不能充分發揮投資效益；反之取值過小，會導致過流能力不足。因此，糙率選取應綜合考慮管材及制作工藝、供水水質對糙率的影響等因素，選取能包絡各種運行工況的范圍值。當驗算過流能力及計算最低壓坡線時宜采用大值，當計算最高壓坡線時宜采用小值。使供水管道既能在長期運行時保證達到設計流量，又能安全運行。

根據《水力計算手冊》和相關工程經驗，糙率取值見表2。

表2 各工況下糙率系數的取值表

4.3 重力流有壓管線水頭損失計算

對于重力供水管線，進水口與受水點水位差值應等于管路阻力損失，即：

∑H=L×i

式中 ∑H——管線沿程損失和局部損失之和；

L——管線長度；

i——單位管線長度的水力坡降。

1）沿程水頭損失采用謝才公式：

謝才系數：

式中 Hi——沿程水頭損失（m）；

L——管道長度（m）；

n——粗糙系數；

R——水力半徑（m）；

Q——設計流量（m3/s）；

V——平均流速（m/s）。

2）局部水頭損失計算：

式中 v——管道水流平均流速（m/s）；

ξ——局部水頭損失系數。

①彎管局部水頭損失系數取值見表3。

表3 90°彎管局部水頭損失系數表

任意角度的局部水頭損失系數ξα°=aξ90°，任意角度彎管局部水頭損失系數見表4。

②事故連通管三通取ξ=0.10。

③檢修閥門取ξ=0.2。

表4 任意角度彎管局部水頭損失系數表

每個空氣閥、排水閥局部水頭損失系數取0.1，每個檢修閥局部水頭損失系數取0.5，出口流入水池局部水頭損失系數取1.0。

4.4 無壓隧洞水力計算

主要綜合考慮隧洞過水流量，水頭損失并結合施工要求，通過試算確定斷面尺寸及縱坡。見表5。

表5 無壓隧洞水力計算表

4.5 供水線路斷面尺寸及壓坡線計算成果

根據各分水口之間的流量，管道長度，選定的管材管徑及分段的水頭損失，控制流速大致相同進行計算，見表6。

表6 供水管線水力計算表

5 結 論

供水線路的投資占整個工程投資比重較大（本項目供水工程投資占工程部分投資的57%，占工程總投資的28.3%），線路選擇的優劣對工程項目的技術可行性和經濟合理性影響較大。因此，線路的選擇必須多方案比較，精心設計。

管道盡量走直線，以縮短管道長度，也應綜合考慮選擇糙率較小的管材，減小管線沿程水頭損失；并盡量減少急劇轉彎，以降低管線局部水頭損失；同時應做好有壓、無壓供水部分的水頭分配，減小供水線路管徑及工程造價。經過恒定流水力計算，可以合理地確定供水線路布置的現狀地面高程，既可以讓管線的內水壓力盡可能低，減少不必要的能源消耗；又避免了因壓力水頭不夠而影響正常供水。

供水線路的恒定流水力計算為線路的布置提供了重要依據，是長距離輸水管線布置非常關鍵的環節。