大口徑玻璃鋼管承插式接頭局部水頭損失系數(shù)探究

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(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局， 新疆 烏魯木齊 830000)

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大口徑玻璃鋼管承插式接頭局部水頭損失系數(shù)探究

常勝1，2，牧振偉2，萬連賓3

(1.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院， 新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052；3.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局， 新疆 烏魯木齊 830000)

針對大口徑玻璃鋼管承插式接頭局部水頭損失系數(shù)取值問題，以新疆小洼槽倒虹吸工程為例，結(jié)合工程實(shí)際選取合理的觀測段，并依據(jù)多年實(shí)測資料，采用伯努利方程原理，初步確定倒虹吸管承插式接頭局部水頭損失系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，將倒虹吸全段水頭損失(包含承插口接頭局部水頭損失)水力計算結(jié)果與上下游水位實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證該系數(shù)取值范圍的準(zhǔn)確性。最終建議大口徑玻璃鋼管承插式接頭局部水頭損失系數(shù)ζ取值范圍為0.0035～0.005。

大口徑管道；玻璃鋼管；承插式接頭；局部水頭損失系數(shù)；水頭損失

管道水力計算主要涉及沿程水頭損失和局部水頭損失的計算，其計算結(jié)果對于確定管徑、流量、斷面壓強(qiáng)以及泵型選取等方面起著決定性作用。長期以來，我國中小型輸水管道工程局部水頭損失計算往往按照沿程水頭損失的5%～10%比例取值。但對于大型輸水工程水力計算，局部水頭損失系數(shù)作為水力計算重要參數(shù)，須嚴(yán)格按照規(guī)范或設(shè)計手冊中給定的參考值計算。但隨著工程多樣性、特殊性，管道工藝提高，施工方法改進(jìn)等因素出現(xiàn)，使得現(xiàn)有局部水頭損失系數(shù)參考值無法滿足大口徑輸水管道工程的設(shè)計需求。本文以新疆小洼槽倒虹吸工程為原型，結(jié)合多年工程運(yùn)行實(shí)測資料，對大口徑玻璃鋼管承插式接頭局部水頭損失系數(shù)進(jìn)行探究。

1　研究背景

小洼槽倒虹吸工程屬北疆供水工程系統(tǒng)重要節(jié)點(diǎn)工程，全長約5.8 km(其中管長5 346 m)，雙線布置，單管設(shè)計流量17.5 m3/s，最大水頭損失設(shè)計值4.328 m。管材選用熱固性樹脂增強(qiáng)玻璃纖維纏繞夾砂玻璃鋼，管道直徑3 100 mm，是目前國內(nèi)管徑最大的玻璃鋼管道工程。常勝等[1]在探究“小洼槽倒虹吸過流能力與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不符”問題時，發(fā)現(xiàn)水流流態(tài)判別忽略是造成該問題的主要原因；但與此同時，發(fā)現(xiàn)選用適用范圍符合實(shí)際流態(tài)的公式(如齊恩公式)，水頭損失計算結(jié)果仍與實(shí)測數(shù)據(jù)存在10%左右的差值。初步判斷該差值是由未考慮管道連接部分的局部水頭損失所致。

小洼槽倒虹吸標(biāo)準(zhǔn)管道(12 m)連接采用承插式接頭型式，見圖1所示(尺寸詳見表1)。承口與插口相接處存在一圈環(huán)狀凹槽(長約360 mm，寬約0～77 mm)，管道水流流經(jīng)凹槽處，水流受管道形變影響將受到部分?jǐn)_動產(chǎn)生局部水頭損失。單個凹槽造成的水頭損失影響甚微，但小洼槽倒虹吸(單管)共有462個接頭，累加效應(yīng)使得該類局部水頭損失問題凸顯。局部水頭損失計算通常參照設(shè)計手冊及規(guī)范，選用相似形變件所對應(yīng)的局部水頭損失系數(shù)與管道流速水頭乘積hj=ζ·v2/2g表示。但現(xiàn)行設(shè)計手冊及規(guī)范中尚未給出纏繞式玻璃鋼承插口接頭局部水頭損失系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值參考。為準(zhǔn)確計算管道水頭損失，需確定單個接頭局部水頭損失系數(shù)ζ0。

圖1　小洼槽倒虹吸管承插式接頭示意圖

2　研究方法

目前，局部水頭損失系數(shù)的研究方法主要分為兩種：一是根據(jù)水力學(xué)原理，采用物理模型試驗(yàn)或者現(xiàn)有工程觀測數(shù)據(jù)計算總結(jié)得出；二是借助現(xiàn)有計算機(jī)軟件對流體進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到相應(yīng)結(jié)果。本文結(jié)合工程實(shí)際，選擇前者作為大口徑玻璃鋼管承插式接頭局部水頭損失系數(shù)的研究方法，具體做法如下：

(1) 考慮到盡可能消除或減弱其他形變件(進(jìn)出口、攔污柵、門槽等)引起的局部水頭損失、風(fēng)浪、觀測等因素影響，結(jié)合工程現(xiàn)有條件同時為凸顯承插口接頭造成的局部水頭損失。本文選取的觀測段樁號0+887.0—5+412.0，全長4 525.570 m，該段承插口接頭共計n=390個；樁號0+887.0、5+412.0處(雙管)設(shè)置高精度脈沖壓力傳感器，其中1#管道設(shè)置2個傳感器(AP2、AP10)，2#管道設(shè)置2個傳感器(AP1、AP9)，括號內(nèi)為傳感器編號。為簡化方便下文將樁號0+887.0、5+412.0過水?dāng)嗝娣謩e稱為過水?dāng)嗝?與過水?dāng)嗝?，中心高程分別為566.80 m和572.5 m。通過壓力傳感器可以得到相應(yīng)位置的壓強(qiáng)水頭，再根據(jù)伯努利方程原理，即實(shí)際液體能量方程計算出過水?dāng)嗝?、斷面2之間水頭損失hw，hw=hf+hj。

實(shí)際液體能量方程：

(1)

式中：z為過水?dāng)嗝嬷行母叱蹋籶/ρg為壓強(qiáng)水頭；αv2/2g為流速水頭，α1=α2=1.0；

(2) 小洼槽倒虹吸管內(nèi)水流流態(tài)可根據(jù)A.M.庫爾干諾夫公式Re·k/d判別，10

達(dá)西-魏斯巴赫公式：

(2)

齊恩公式：

(3)

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管道長度，m；d為管徑，m；v為管道水流流速，m/s；k為管道當(dāng)量粗糙度，mm；Re為雷諾數(shù)。

(3) 通過設(shè)計資料及工程實(shí)際，可以了解到樁號0+887.0～5+412.0段局部水頭損失主要由承插口接頭、管道變坡處緩彎段以及T形盲孔三種形變件造成的?，F(xiàn)行設(shè)計手冊[2]針對彎管局部水頭損失系數(shù)計算公式主要推薦公式(5)和公式(6)，其中公式(6)是由WEISBACH根據(jù)D=30 mm圓形折彎管實(shí)驗(yàn)所得[3]。因此，該試驗(yàn)段選用較為合適的公式(5)計算管道變坡處緩彎段局部水頭損失系數(shù)，計算結(jié)果見表2。由于線路長，全線設(shè)置的進(jìn)入孔、排氣閥、放水孔等T形盲孔數(shù)目較多，單個T形盲孔的局部水頭損失系數(shù)不同資料差異較大，等徑T形盲孔(600 mm)的局部水頭損失系數(shù)在0～0.1 之間，試驗(yàn)量測值為0.026～0.041[4]。該試驗(yàn)段T形盲孔共計14個，局部水頭損失系數(shù)ζT形盲孔建議取值0.041。將式(1)和式(2)計算結(jié)果及其他局部水頭損失參數(shù)計入公式(4)，初步得到小洼槽玻璃管管單個接頭局部水頭損失系數(shù)ζ0。

(4)

(5)

(6)

式中：hj為局部水頭損失，m；n為承插口接頭個數(shù)；ζ0為單個接頭局部水頭損失系數(shù)；ζT形盲孔、ζ緩彎管、ζ折彎管分別為T形盲孔、緩彎管和折彎管局部水頭損失系數(shù)；R為彎管轉(zhuǎn)彎半徑，m；θ為彎管轉(zhuǎn)彎圓心角，(°)；β為折彎管軸線與水平方向夾角，(°)。

表2　小洼槽倒虹吸變坡緩彎管(樁號：0+887.0—5+412.0段)局部水頭損失系數(shù)

注：表中樁號，彎管轉(zhuǎn)彎圓心角θ，彎管轉(zhuǎn)彎半徑R參考石泉等[4]《小洼槽倒虹吸管線布置表》及蒲振旗等[5]《各彎管幾何參數(shù)及局損計算表》。

(4) 將第(3)步中的ζ0計入小洼槽倒虹吸水力計算中，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。其中，倒虹吸管沿程水頭損失計算仍采用第(2)步推薦的達(dá)西-魏斯巴赫公式和齊恩公式；局部水頭損失除ζ0外，還應(yīng)考慮進(jìn)出口處、緩彎段、T形盲孔等[6-8]。進(jìn)出口處局部水頭損失系數(shù)參考李煒等[2]水力設(shè)計手冊進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)ζ進(jìn)口取值0.25，出口ζ出口取值0.50；緩彎段、T形盲孔計算方法參見第(3)步。

3　實(shí)例分析

3.1局部水頭損失系數(shù)確定

通過上述方法計算可得到小洼槽倒虹吸(樁號：0+887.0—5+412.0段)若干組不同流量工況下承插口接頭局部水頭損失系數(shù)ζ0，限于篇幅現(xiàn)將部分?jǐn)?shù)據(jù)列于表3。與此同時，為了更好地確定局部水頭損失系數(shù)ζ0取值范圍，本文根據(jù)不同流量工況計算結(jié)果(共計39組工況)繪制了Q～ζ0散點(diǎn)圖，見圖2。

圖2小洼槽倒虹吸管承插式接頭系數(shù)Q-ζ0散點(diǎn)圖

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，緩彎管段局部水頭損失系數(shù)∑ζ緩彎管約占總局部水頭損失系數(shù)的6.41%～7.73%；T形盲孔∑ζT形盲孔比例占21.64%～26.11%；而承插口接頭局部水頭損失系數(shù)∑ζ0比例高達(dá)70%左右，但單個接頭局部水頭損失系數(shù)卻很小。通過圖2初步得到小洼槽玻璃管單個接頭局部水頭損失系數(shù)ζ0取值范圍為0.0035～0.005。同時發(fā)現(xiàn)隨著管道內(nèi)水流流量增大，承插口局部水頭損失系數(shù)ζ0呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

表3　小洼槽倒虹吸管段(樁號：0+887.0 — 5+412.0段)承插口接頭局部水頭損失系數(shù)計算表

3.2原形管道驗(yàn)證

根據(jù)上述局部水頭損失初定范圍，將ζ0取值0.004并計入小洼槽倒虹吸水頭損失計算中，計算結(jié)果參見表4。表中H1為水頭損失計算值(包含承插口局部水頭損失)，H為水頭損失實(shí)測值，S為計算值與實(shí)測數(shù)據(jù)誤差百分比；為了更好比較分析水力計算結(jié)果和實(shí)測數(shù)據(jù)，作圖3、圖4。圖中H、H1表示意義與表4中一致，H2為水頭損失計算值(未包含承插口局部水頭損失)。

表4　小洼槽倒虹吸管水力計算表(多組流量工況)

注：① 表中S=(H1-H)/H×100%。② 表中參數(shù)代表全段倒虹吸管道信息，應(yīng)與表3中參數(shù)有所區(qū)別。

圖3　小洼槽倒虹吸水力計算值和實(shí)測值比較分析

圖4小洼槽倒虹吸水力計算值和實(shí)測值誤差分析

圖3中，不同流量工況對應(yīng)的計算值H1、H2與實(shí)測值H均呈線性分布趨勢，數(shù)據(jù)本身無較大問題；計算值H1與實(shí)測值H基本吻合，但計算值H1、H2兩者之間相差0.20 m～0.50 m左右。圖4中進(jìn)一步證實(shí)了這種差距，計算結(jié)果H2同實(shí)測值之間誤差基本保持10%，部分工況誤差高達(dá)12%；而計算值H1和實(shí)測值H控制在±3%以內(nèi)，這說明承插口局部水頭損失系數(shù)ζ0的取值范圍0.0035～0.005符合小洼槽倒虹吸水力計算要求。同時也可以發(fā)現(xiàn)承插口局部水頭損失的忽略對水頭損失計算的準(zhǔn)確性存在一定影響。最終確定單個接頭局部水頭損失系數(shù)為0.0035～0.005。

4　結(jié)　語

由于小洼槽倒虹吸距離長、承插口接頭多，使得承插口局部水頭損失問題凸顯。最終得到大口徑玻璃鋼管承插式接頭局部水頭損失系數(shù)ζ0在不同流量下取值范圍為0.0035～0.005。承插口造成的總局部水頭損失相對不大，但也不能忽略。尤其是大口徑超長距離玻璃管輸水管道工程更應(yīng)關(guān)注此類局部水頭損失。

[1]常勝，牧振偉，萬連賓.大口徑有壓玻璃鋼管水力計算公式分析[J].水電能源科學(xué)，2014，32(10)：159-161.

[2]李煒.水力計算手冊(第2版)[M].北京：中國水利水電出版社，2007：10.

[3]譚興華，陳全會，高永傳.南水北調(diào)倒虹彎管局部阻力設(shè)計方法研究[J].灌溉排水學(xué)報，2000，19(4)：53-55，74.

[4]石泉，張立德，李紅偉.大型倒虹吸工程設(shè)計與施工[M].北京：中國水利水電出版社，2007：19.

[5]蒲振旗，徐元祿，周騫.玻璃鋼管道糙率值實(shí)證分析[J].水利建設(shè)與管理，2011，31(11)：77-81.

[6]李棟浩，王文娥，葛茂生，等.突然縮小圓管局部水頭損失系數(shù)試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2011，9(4)：22-24.

[7]上育平，寇君淑，房海勃，等.海底承插式玻璃鋼管道安裝施工工藝研究[J].水利與建筑工程學(xué)報，2014，12(6)：129-132.

[8]司徒菲，陳才高，李金印，等.長距離大口徑輸水管線摩阻系數(shù)及局部水頭損失系數(shù)研究[J].給水排水，2011，37(8)：108-111.

Local Resistance Coefficient Value of Large-diameter FRP Pipe’s Spigot-and-socket Joint

CHANG Sheng1,2, MU Zhenwei2, WAN Lianbin3

(1.XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropower,Urumqi,Xinjiang830000,China; 2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China; 3.XinjiangIrtyshRiverBasinDevelopmentProjectConstructionandManagementBureau,Urumqi,Xinjiang830000,China)

The determination of local resistance coefficient value of large-diameter FRP pipe’s spigot-and-socket joint is an important issue, taking Xiaowacao invert siphon pipe as an example, based on the engineering practice, reasonable observation sections were selected. According to the observed data of many years and the principle of Bernoulli equation, this paper calculated the result that local head loss coefficient of spigot-and-socket joint. An comparative analysis of the measurement data and hydraulic calculation results, which belong to the whole segment inverted siphon (including that part all spigot-and-socket joints cause), are used to verify the accuracy of the coefficient range value. It is suggested that the local resistance coefficient value range of large-diameter pipe’s spigot-and-socket joint is 0.0035～0.005.

large-diameter pipe; FRP pipe; spigot-and-socket joint; local resistance coefficient; head loss

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.018

2016-03-11

2016-04-07

新疆高等學(xué)?？蒲杏媱澲攸c(diǎn)項(xiàng)目資助(XJEDU2011I19)；新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012211A059)

常勝(1990—)，男，河南南陽人，助理工程師，主要從事水利工程設(shè)計工作。E-mail:xjchangs@163.com。

牧振偉(1973—)，男(回族)，河南南陽人，教授，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。E-mail:xjmzw@163.com。

TV131.2+2

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1672—1144(2016)04—0089—04