萬家寨引黃工程聯(lián)接段輸水線路PCCP管徑研究

朱敏榮

1 工程概況

萬家寨引黃工程是位于山西省西北部的大型引水工程，由萬家寨水庫、總干、北干、南干和聯(lián)接段組成，擔任著向太原、大同和平朔三個城市的供水任務。聯(lián)接段是引黃工程的重要組成部分，上起南干7號隧洞出口，下接太原市呼延水廠，線路全長139.35km。汾河水庫以上81.2km采用天然河道輸水，輸水流量25.8m3/s，每年輸水10個月，汾河水庫以下58.15km采用預應力鋼筒混凝土管（PCCP）輸水，設計流量20.5m3/s，全年不間斷輸水，每年可向太原市供水6.4 億 m3。

輸水管線從汾河水庫進水塔后的取水隧洞出口起至太原市呼延水廠為一條預應力鋼筒混凝土管，沿線穿過1號至7號7條隧洞，總長21.2km。全部采用洞穿PCCP。穿越汾河主河道11次，總長2.25km。沿線設置的主要建筑物有3座流量調(diào)節(jié)閥室，10座檢修閥室，68個排氣閥井，37個檢查井，41個排水閥井。

2 管徑選擇的重要性

輸水工程中，輸水管道管徑從技術、經(jīng)濟兩方面綜合考慮來選擇。在確定輸水流量和糙率的基礎上，管徑選擇受取水口水位、地形條件制約，同時流速大小也是控制管徑大小的重要因素。在滿足輸水能力和沿線測壓管水頭為正壓的情況下，若不考慮管道的允許流速，一味追求減小管徑，雖然可降低工程造價，但若流速超過允許流速，過大的流速將直接影響管道的使用壽命，增加運行管理的維修工作，難以保證正常供水要求。在滿足輸水流量、沿線測壓管水頭為正值和管道允許流速的情況下，管徑選的過大會直接增加工程造價，給工程造成不必要的浪費，所以管徑選擇應從過流能力、管道流速、保證管道有壓輸水、工程布置等方面綜合考慮，對不同管徑進行水力學計算，選擇技術上可行、經(jīng)濟上合理的管徑，對整個工程的經(jīng)濟合理性具有重要意義。

3 不同管徑輸水能力計算

3.1 計算條件及依據(jù)

3.1.1 取水水位

輸水線路從汾河水庫取水至太原市呼延水廠，全長58.15km，沿線設3個流量調(diào)節(jié)閥室，將線路分成3個區(qū)間，各區(qū)間對應樁號及取水水位見表1。

表1 區(qū)間樁號及水位要素表

3.1.2 設計流量及糙率

設計流量為20.5m3/s。通過調(diào)研并對廠家提供的試驗成果進行分析，同時與國內(nèi)外同類工程相比，考慮到該工程輸水線路長、流量大等特點，常規(guī)鋼筋混凝土糙率取 0.014～0.016，PCCP管糙率選取 0.012～0.0125。

3.1.3 管徑選擇

該工程管徑選擇的原則：一是滿足設計流量為20.5m3/s的過流要求，經(jīng)常運行流速v不能超過3m/s。二是沿線保證輸水管頂以上的測壓管水頭不小于2m。按照以上原則，結合實地地形、地面坡度和線路布置情況，全線對管徑3.0m，2.8m，2.6m分別進行計算，選定經(jīng)濟合理的管徑。

3.2 計算公式及結果

過流能力的計算公式為Q=μcω，

式中：Q——流量，m3/s；

μc——管道流量系數(shù)；

ω——管道斷面積，m2；

H——不包括行近流速水頭的作用水頭，m。

D=3.0m，D=2.8m，D=2.6m的管道過流能力計算分別見表2、表3和表4。

表2 D=3.0m時過流能力計算結果表

表3 D=2.8m時過流能力計算結果表

表4 D=2.6m時過流能力計算結果表

從以上對三種管徑的管道過流能力計算可以看出，D=2.6m的管道不滿足20.5m3/s的過流能力，故以下測壓管水頭計算中只考慮D=3.0m和D=2.8m兩種管徑。

4 不同管徑沿線測壓管水頭計算

4.1 水頭損失計算

4.1.1 計算公式

沿程水頭損失計算公式：

式中：hf——沿程水頭損失，m；

R——水力半徑，m；

局部水頭損失計算包括彎管、檢查井、開孔管、檢修閥閥體、漸擴管、漸縮管、區(qū)間進口等的損失，計算公式為：hj=ξ，其中hj為局部水頭損失，ξ為局部損

可推出失系數(shù)，其取值查表可得。

4.1.2 計算結果

水流通過D=3.0m和D=2.8m管道時的水頭損失計算結果見表5、表6。

表5 D=3.0m時分段水頭損失計算結果表

表6 D=2.8m時分段水頭損失計算結果表

4.2 壓坡線繪制

4.2.1 計算公式

壓坡線繪制是對3個輸水區(qū)間逐項計算沿程局部水頭損失，由上游至下游在縱斷圖上逐段繪制出壓坡線。計算公式為：，其中H測為區(qū)間任意處測壓管水位；H取為區(qū)間首端取水水位；其他同上。

4.2.2 計算結果

根據(jù)D=3.0m時繪制的壓坡線可知（圖略），第一輸水區(qū)間自汾河水庫取水，起始壓力大，區(qū)間內(nèi)地形起伏較小，最小壓力發(fā)生在區(qū)間末9+830處，該處測壓管水頭最小為1094.311m，管頂高程1055.865m，管頂以上水頭38.446m。第二輸水區(qū)間進口9+915.2處，測壓管水頭最小為1052.65m，管頂高程1048.565m，管頂以上水頭4.085m。第三輸水區(qū)間首段31+255.2～31+503.0，管頂以上水頭較小，在31+255.2處，測壓管水頭972.25m，管頂高程968.165m，管頂以上水頭4.085m。區(qū)間內(nèi)壓力最小段在53+700～56+665段，樁號56+665處，測壓管水頭最小為919.74m，管頂高程為916.875m，管頂以上水頭2.865m是本區(qū)間壓力最小處。整個線路滿足有壓流。

D=3.0m時的各水力要素見表7。

表7 D=3.0m時水力要素表

根據(jù)D=2.8m時繪制的壓坡線可知（圖略），第一輸水區(qū)間管頂以上水頭均較大，滿足有壓流條件。第二輸水區(qū)間在21+136.73～21+370.60段管頂水頭均小于2m，其中最小壓力低于管頂。該區(qū)間除本段不滿足有壓流要求外，其余各段均能滿足要求。第三輸水區(qū)間在31+255.2～32+503.0段，管頂以上測壓管水頭較小，在36+160.09～36+642.9段管頂高程以上測壓管水頭在0～0.523m之間，不滿足有壓流條件。38+185.0～38+600.0段，由于3號洞高程抬高，使該段管頂以上壓力小于2m，7號洞在樁號46+656開始管頂以上的壓力小于2m，至線路尾部57+276.2處測壓管水頭低于管頂24.596m，總長10.62km，不滿足有壓輸水的要求。

D=2.8m時的各水力要素見表8。

表8 D=2.8m時水力要素表

5 管徑選擇

以上從管線的過流能力、壓坡線、管道流速對三種管徑分區(qū)間進行了水力計算，其計算比較如下：

5.1 過流能力比較

過流能力計算是按各區(qū)間的進出口水位分區(qū)間進行計算，不考慮沿線地形起伏變化。2.6m管徑只有第一區(qū)間能滿足過流要求，第二、三區(qū)間不能滿足要求。2.8m和3.0m管徑均能滿足設計要求。

5.2 壓坡線比較

根據(jù)各自的壓坡線可以看出（圖略），2.8m管徑在第一輸水區(qū)間管頂以上測壓管水頭均大于2m，第二區(qū)間在21+136.73～21+370.6段管頂以上測壓管水頭小于2m，第三區(qū)間共有4段管頂以上測壓管水頭小于2m；3.0m管徑三個輸水區(qū)間管頂以上測壓管水頭均大于2m，能滿足有壓流要求。

5.3 流速比較

管線通過設計流量20.5m3/s時，3.0m管徑的流速為2.9m/s滿足運行流速要求；2.8m管徑的流速為3.329m/s，不能滿足管道經(jīng)常運行流速一般不超過3m的要求。

從計算比較結果同所調(diào)查的國內(nèi)外已有工程相比，2.8m管徑由于流速太大部分管段出現(xiàn)負壓，3.0m管徑全管線均能滿足有壓要求，且流速較小。所以本工程的輸水管徑確定為3.0m。

6 結語

管道允許流速的選擇值是管徑研究中的一個重要問題，為保證輸水管道的使用壽命，管道流速通常控制在1.5～3m/s。設計中，考慮到輸水管線從汾河水庫取水時可能會挾帶有粉土質(zhì)泥沙，如果其流速超過3m/s，會沖刷管道，影響管道壽命；同時考慮到我國的實際情況，選用流速為2.9m/s的可接受值進行管徑研究是可行的。

長距離輸水管線沿線地形起伏、高程變化大，在管徑研究中，除滿足過流能力要求外，還必須重視壓坡線的比較，以確定整個輸水線路為有壓狀態(tài)。