大管徑壓力管道輸水工程水力計算分析

范勇鋒

（新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊市 830000）

大管徑壓力管道輸水工程水力計算分析

范勇鋒

（新疆水利水電勘測設計研究院 烏魯木齊市 830000）

北疆某輸水工程中的一段泵站揚水壓力管線，其管徑較大，線路較長。因泵站的揚程與管道水頭損失密切相關，因此，文章重點分析了曼寧公式和達西公式兩種不同的方法下的水頭損失情況，最終確定出適合本工程的計算方法。

水頭損失 曼寧公式 達西公式

1 工程概況

本工程為北疆地區(qū)長距離調(diào)水項目，其中揚水壓力管道主要布置在泵站與隧洞之間，設計流量為13 m3/s，泵站設計揚程186 m。壓力管道總長11.16 km，采用雙根管布置，管徑為DN2400 mm，最大工作壓力1.98 MPa。前段高壓管采用涂塑鋼管，管線長7.34 km，后段低壓管采用PCCP管，管線長3.82 km。

2 計算分析

采用通用達西公式和曼寧公式兩種計算方法進行水力學計算。

2.1 達西公式

式中 hf——沿程水頭損失（m）；

l——管道長度（m）；

d——管道計算內(nèi)徑（m）；

g——重力加速度（m/s2）；

1——管道長度（m）；

V——管內(nèi)平均流速（m/s）；

△——管道當量粗糙度（mm）；

ν——水的運動粘滯系數(shù)，計算按取1.310× 10-6m2/s。

其中計算沿程阻力系數(shù)λ時，當量粗糙度△取值很關鍵，其取值介紹如下：

（1）高壓段涂塑鋼管。

① 《水力計算手冊》中提到有關鋼管當量粗糙度值見表1。

表1 鋼道當量粗糙度取值表 mm

② 國外有關鋼管粗糙度的數(shù)據(jù)見表2。

③ 論文《管道內(nèi)壁粗糙度的確定》和《管道絕對當量粗糙度的取值及其影響分析》中分析建議設計中鋼管粗糙度采用0.01 mm是比較可靠的值。

綜上，本計算中，涂塑鋼管粗糙度取0.01 mm。

表2 國外有關鋼道粗糙度取值表 mm

（2）低壓段PCCP管。

① 《水力計算手冊》中提到“光滑的混凝土管”粗糙度值為（0.30～1.33）mm。

② 論文《南水北調(diào)中線PCCP管道的摩阻損失計算分析》。其中計算采用天津市水科所的試驗結(jié)論：PCCP管當量粗糙度為0.128 mm。

本次計算參考其取值亦為0.128 mm。

采用達西公式計算結(jié)果見表3。

表3 水力學計算結(jié)果表（達西公式）

2.2 曼寧公式

該公式是由謝才公式推導而來，謝才系數(shù)C公式為：

曼寧公式計算中，糙率n的取值很重要，高壓段和低壓段管材糙率取值如下：

（1）高壓段涂塑鋼管。

由于工程實例中大口徑涂塑鋼管應用較少，根據(jù)管道生產(chǎn)廠家涂塑鋼管產(chǎn)品經(jīng)中國水科院試驗測糙率值在（0.008 1～0.009 1）。

另外通過與達西公式比較，采用沿程阻力系數(shù)等效原則，換算得當量粗糙度取10 μm時相當于糙率值為0.010。

目前與本工程管徑相當?shù)耐克茕摴懿诼蕯?shù)據(jù)很少，基于偏保守安全，計算中涂塑鋼管糙率取值為0.010。

（2）低壓段PCCP管。

① 根據(jù)《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范）》SL 702-2015，規(guī)范中建議PCCP管道糙率取值為n= 0.010～0.0125。

② 我國已建PCCP管道工程的糙率值，見表4。

表4 我國已建PCCP管道工程的糙率統(tǒng)計表 mm

從以上表中數(shù)據(jù)可以看出，目前，PCCP糙率最小設計值（0.011～0.012 5）之間。

③ 新疆引額濟烏一期一步工程中，3個泉倒虹吸工程中采用雙根DN2800 PCCP管，長科院通過對歷年工程運行資料分析，進行糙率反演計算，得到PCCP管材糙率為（0.010 0～0.013 0），平均可取為0.011 5。

綜上所述，在進行水力設計時，基于保守安全計算，PCCP管的糙率取n=0.012。

采用曼寧公式計算結(jié)果見表5。

3 結(jié) 論

通過以上計算可以看出，兩種方法計算的水損值相差 0.6%，幾乎相同。因此對于本工程壓力管道水力學兩種方法都合適。本工程最終計算采用使用范圍更廣，考慮了流速及運動黏度的達西公式。

表5 水力學計算結(jié)果表（曼寧公式）

[1]清華大學.水力學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]劉進，王東黎，楊進新.南水北調(diào)中線PCCP管道的摩阻損失計算分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2008，（01）：231-234.

[3]王雪原，黃慎勇，付忠志.長輸管道水力計算公式選用注意的問題[J].西南給排水，2006，（02）：16-19.

[4]夏星星，馮良.管道絕對當量粗糙度的取值及其影響分析[J].上海煤氣，2010，（02）：10-12、17.

[5]陳鳳，余漢成，孫在蓉，等.管道內(nèi)壁粗糙度的確定[J].天然氣與石油，2007，（06）：8-10.

2017-01-26）

范勇鋒（1984-），男，陜西渭南人，工程師，主要從事水利工程設計工作。