黃水東調(diào)二期輸水管道水頭損失計(jì)算

孫浩東，季 珊，秦 峰

（1.濰坊市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濰坊 261000；2.濰坊市水利局，山東 濰坊 261000）

0 引 言

我國(guó)是水資源較為豐富的國(guó)家，但是由于人口基數(shù)大，同時(shí)水資源分布不均，部分城市需水水量較大，嚴(yán)重制約了城市的發(fā)展進(jìn)程和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展。我們國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離調(diào)水工程較多。而大口徑長(zhǎng)距離輸水管道具有較多優(yōu)點(diǎn)，自身密封性好、受環(huán)境影響小、受地形影響小等優(yōu)勢(shì)，已成為項(xiàng)目決策者的首選方式[1]。對(duì)于大口徑和長(zhǎng)距離輸水管道工程的設(shè)計(jì)任務(wù)，最重要的是管道計(jì)算，主要涉及的是沿程水頭損失和局部水頭損失計(jì)算。

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管道，沿程水頭損失所占總水頭損失的比例最大，其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性直接影響工程的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)水頭損失計(jì)算值偏大，將會(huì)增加工程的投資規(guī)模，使得加壓泵站無法在高效運(yùn)行區(qū)間工作，增加額外損耗及加重了末端消能負(fù)擔(dān)；當(dāng)水頭損失計(jì)算偏小時(shí)，工程調(diào)水規(guī)模無法達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模，無法滿足用水需求，無法發(fā)揮工程最大效益。因此，有必要研究大口徑長(zhǎng)距離輸水管道沿程水頭損失的計(jì)算方法。

文章以山東省黃水東調(diào)二期工程為例，結(jié)合工程建成運(yùn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究不同水頭損失計(jì)算方法和對(duì)比計(jì)算結(jié)果，最后，對(duì)于大口徑長(zhǎng)距離輸水管道的沿程水頭損失計(jì)算方法的選用，提出了一些建議，及大口徑涂塑鋼管的摩阻系數(shù)參考范圍，為管道設(shè)計(jì)提供一定參考意義。

1 工程概況

青島、濰坊、威海、煙臺(tái)四市是山東省水資源十分緊缺的地區(qū)，受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，持續(xù)干旱缺雨導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮Y源枯竭，四市外來水源供水不足。水資源短缺已成為約束當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大制約因素[2]。

為緩解膠東地區(qū)四市頻發(fā)的供水危機(jī)，經(jīng)過山東省委省政府及時(shí)決策，緊急啟動(dòng)實(shí)施了黃水東調(diào)應(yīng)急工程，先期即一期工程，調(diào)水實(shí)施至濰北二水庫(kù)。

黃水東調(diào)應(yīng)急工程已完成，通水已至濰北二庫(kù)，但建成后僅能解決濰坊壽光市和濰坊濱海經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的應(yīng)急用水，短期內(nèi)仍無法實(shí)現(xiàn)向膠東青島、煙臺(tái)、威海3市供水，為完善黃水東調(diào)工程體系，故建設(shè)了黃水東調(diào)二期工程。

黃水東調(diào)二期工程的總體布局為：在黃水東調(diào)應(yīng)急工程基礎(chǔ)上，自濰北二庫(kù)東壩利用在建的出庫(kù)涵閘取水，利用新建泵站加壓后，將通過管道向東南方向輸水。管道布置在引黃濟(jì)青干渠的左側(cè)，總體與其平行布置，將水引至宋莊分水閘前，然后利用宋莊分水閘、引黃濟(jì)青渠道將水輸送至煙臺(tái)、青島及威海。工程同時(shí)具有給峽山水庫(kù)和濰坊南部地區(qū)供水的作用。為進(jìn)一步發(fā)揮黃水東調(diào)工程的作用，結(jié)合青島供水系統(tǒng)，將輸水管道繼續(xù)進(jìn)行延伸，與青島供水管網(wǎng)相接[3-5]。

黃水東調(diào)工程設(shè)計(jì)年運(yùn)行時(shí)間為243d，年引水量為4.52億m3，年供水量為3.15億m3；二期工程設(shè)計(jì)流量為15m3/s，工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為Ⅰ等；濰北二庫(kù)加壓泵站、沿線輸水管道工程、濟(jì)青濟(jì)峽連通工程等主要建筑物，其工程級(jí)別為1級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)。主要工程內(nèi)容為：①取水工程。新建實(shí)施濰北二庫(kù)加壓泵站。②輸水工程。包括濰北二庫(kù)至宋莊工程，其中包含輸水管道及交叉建筑物、閥門井等附屬設(shè)施，管線長(zhǎng)46.707km；濟(jì)青濟(jì)峽連通工程（含豐泉水庫(kù)支線），管線長(zhǎng)3.976km；宋莊出口工程，宋莊東延工程輸水管道及交叉建筑物、閥井等附屬設(shè)施，管線長(zhǎng)5.792km。

2 水力損失計(jì)算方法

對(duì)于管道沿程水頭損失計(jì)算，多數(shù)為經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式，其中的參數(shù)多是建立在大量的試驗(yàn)基礎(chǔ)上確定的。

2.1 達(dá)西—魏斯巴赫公式

達(dá)西—魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式：

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程水頭損失系數(shù)；l為管長(zhǎng)，m；d為管徑，m；v為管道水流速度，m/s。

謝才（A.de Chezy）公式：

式中：C為謝才系數(shù)；J為水力坡度，m；R為水力半徑，m。其中J為水力坡度，即水頭損失與管道長(zhǎng)度的比值J=hf/l；d=4R；

將上述兩公式進(jìn)行聯(lián)立推導(dǎo)。

上述公式中謝才系數(shù)C的計(jì)算，目前有很多經(jīng)驗(yàn)公式。

曼寧公式：

巴普洛夫斯基公式：

式中：n為糙率，R為水力半徑。巴普洛夫斯基公式考慮了指數(shù)變化，較為復(fù)雜，工程界應(yīng)用較多的是采用曼寧公式，其計(jì)算參數(shù)較為簡(jiǎn)便。但是由于計(jì)算謝才系數(shù)的曼寧公式，只適用于紊流粗糙區(qū)，所以利用該公式計(jì)算沿程水頭損失只適用于管道水流處于紊流粗糙區(qū)的情況[6]。

2.2 海曾—威廉公式

海曾—威廉公式是在大量管道試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上建立的。該公式為純經(jīng)驗(yàn)公式。該公式的適用范圍取決于試驗(yàn)所獲取數(shù)據(jù)的管道水力流態(tài)狀態(tài)。該公式適用于紊流過渡區(qū)和部分紊流光滑區(qū)的管道水力計(jì)算。

海曾—威廉公式：

式中：Q為流量（m3/s）；Ch為沿程摩擦系數(shù)。

該公式涉及參數(shù)較少，僅有一個(gè)沿程摩擦系數(shù)，針對(duì)不同管道選取不同的系數(shù)，所以該公式適用于不同材質(zhì)的管道，同時(shí)不用區(qū)分所在的水力分區(qū)。

2.3 灌排公式

規(guī)范《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中推薦的公式計(jì)算：

式中：f摩擦系數(shù)；m流量指數(shù)；b管徑指數(shù)。

3 黃水東調(diào)二期工程管道水頭損失計(jì)算

選取管段為濰北二庫(kù)流量計(jì)井至宋莊管理所調(diào)控井范圍（樁號(hào)為0+025~46+550），管道總長(zhǎng)度46.52km，該管道供水方向?yàn)橛蔀H北二庫(kù)至宋莊出口閘，計(jì)算流量為9 150m3/h。管道為DN2400的涂塑鋼管。

利用以上工況，分別采用上述水頭損失計(jì)算公式方法計(jì)算。見表1~表3。

表1 達(dá)西—魏斯巴赫公式計(jì)算數(shù)據(jù)

表2 海曾—威廉公式計(jì)算數(shù)據(jù)

根據(jù)達(dá)西—魏斯巴赫公式計(jì)算，鋼管糙率取值范圍為0.0 110~0.0 125，糙率取0.012計(jì)算，水頭損失為4.1 830m。

根據(jù)海曾—威廉公式計(jì)算，鋼管沿程摩擦系數(shù)Ch取值范圍為130~145，沿程摩擦系數(shù)Ch取140計(jì)算，水頭損失為4.1 674m。

采用灌排公式，計(jì)算水頭損失為5.6 382m。

4 運(yùn)行工況實(shí)測(cè)水頭損失驗(yàn)證

黃水東調(diào)二期工程建成后，運(yùn)行狀況良好，發(fā)揮了較大作用。根據(jù)運(yùn)行工況下，讀取壓力傳感器的數(shù)值，可以計(jì)算出管道實(shí)際水頭損失。故可以用來驗(yàn)證上述水頭損失計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

本次采用宋莊管理所的宋莊調(diào)控壓力井和濰北二庫(kù)流量井的傳感器。當(dāng)運(yùn)行工況為9 150m3/h時(shí)，宋莊調(diào)控壓力井的調(diào)壓閥閥前壓力為0.021MPa，高程為6.97m，濰北二庫(kù)流量井的壓力傳感器壓力為0.13MPa，高程為0.00m。經(jīng)計(jì)算實(shí)測(cè)水頭損失為3.930m。

經(jīng)計(jì)算對(duì)比，利用海曾—威廉公式計(jì)算結(jié)果最為接近實(shí)測(cè)值，計(jì)算準(zhǔn)確度較高。該公式適用于不同材質(zhì)的管道，同時(shí)不用區(qū)分所在的水力分區(qū)。

采用達(dá)西—魏斯巴赫公式計(jì)算，其結(jié)果也相對(duì)接近，這是由于大口徑管道內(nèi)部一般處于紊流過渡區(qū)，部分可能處于紊流粗糙區(qū)，適用達(dá)西—魏斯巴赫公式。但是隨著制管工藝的不斷進(jìn)步，管道內(nèi)壁也越光滑，管道內(nèi)部水流也將趨于全部位于紊流過渡區(qū)，甚至是光滑區(qū)，達(dá)西—魏斯巴赫公式將不再適用，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度變差。

灌排公式的計(jì)算結(jié)果偏離較大，這是由于計(jì)算參數(shù)導(dǎo)致的，現(xiàn)有鋼管的管道參數(shù)沒有考慮實(shí)際管道內(nèi)部防腐涂層的存在，內(nèi)壁較為光滑，這就導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度較差，不再適用。

根據(jù)傳感器實(shí)測(cè)水頭損失，利用達(dá)西—魏斯巴赫公式和海曾—威廉公式反算出糙率和沿程摩擦系數(shù)，分別為0.0 116和144.50。兩個(gè)計(jì)算參數(shù)分別位于取值范圍的下限和上限值。可見對(duì)于大口徑涂塑鋼管水頭損失計(jì)算，按照規(guī)范推薦取值計(jì)算，計(jì)算得出水頭損失偏大，偏于保守。這對(duì)于管道初期運(yùn)行可能會(huì)帶來影響，隨著管道運(yùn)行時(shí)間變長(zhǎng)，糙率會(huì)變大，影響將逐漸減小。

5 結(jié) 語(yǔ)

文章采用三種水頭損失計(jì)算方法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用海曾—威廉公式計(jì)算，結(jié)果最為接近實(shí)測(cè)值，計(jì)算準(zhǔn)確度較高。海曾—威廉公式是在大量管道試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上建立的，適用范圍較廣。文章通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，在長(zhǎng)距離輸水管道水頭損失計(jì)算中，推薦采用海曾—威廉公式。綜合了國(guó)內(nèi)外相關(guān)經(jīng)典數(shù)據(jù)的推薦值，吸收和總結(jié)了國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)值和典型項(xiàng)目的計(jì)算取值，最終推薦給出了摩阻系數(shù)的取值范圍。摩阻系數(shù)可依據(jù)該規(guī)范取值，使計(jì)算出的結(jié)果更加合理準(zhǔn)確。