貴州山區(qū)長距離輸水管道局部水頭損失計(jì)算分析

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002）

近年來，貴州省因地制宜，全面推進(jìn)各地區(qū)水利事業(yè)建設(shè)，2017年近百座中小型水庫前期設(shè)計(jì)獲得批復(fù)，全省新開工骨干水源工程60余座，水利事業(yè)蓬勃發(fā)展。由于區(qū)域地形地貌等自然條件因素，輸水建筑物主要以管道為主，因此管道水力計(jì)算成果的準(zhǔn)確性對輸水能力和工程效益的發(fā)揮十分重要。在工程前期階段設(shè)計(jì)工作中，計(jì)算輸水管道水力時(shí)，借鑒相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)，局部水頭損失按沿程水頭損失的5%～10%考慮［1-6］；但在工程實(shí)踐中，受區(qū)域地形地貌等影響，按該比例估算的局部水頭損失往往不能滿足實(shí)施階段建筑物布置要求。因此，本文對已建、在建水庫前期設(shè)計(jì)階段與實(shí)施階段輸水管道工程水力計(jì)算成果進(jìn)行對比分析，得出局部水頭損失與沿程水頭損失相對關(guān)系，以供擬建項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段管道水力計(jì)算參考。

1 管徑、流速選擇

一般輸水管道管徑初步按經(jīng)濟(jì)流速確定，結(jié)合管材選擇、水力計(jì)算成果和建筑物布置等要求最終確定。現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范和有關(guān)文獻(xiàn)中列述，壓力輸水管道設(shè)計(jì)流速不宜小于0.6 m/s，且不宜大于3 m/s［1］，實(shí)際工作中通常按1.2～2.5 m/s初步確定管徑［4］。

管徑的選擇直接影響建筑物布置和工程投資，按經(jīng)驗(yàn)經(jīng)濟(jì)流速確定的管徑對某些工程并不一定經(jīng)濟(jì)；特別是對于山區(qū)水利工程，由于自然條件的限制，輸水線路的布置空間有限，輸水壓力水頭較為寶貴。因此，通常選擇較大管徑低流速輸水。通過對貴州地區(qū)部分已建、在建大中型水庫工程輸水管道流速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)流速一般為1.0～2.0 m/s，大部分流速在1.5 m/s左右。工程應(yīng)用中，管徑選擇可在經(jīng)驗(yàn)流速附近進(jìn)行試算，結(jié)合其他影響因素綜合確定［7-8］。

2 管道局部水頭損失分析

2.1 計(jì)算原則

管道局部水頭損失影響因素較多，為了使分析成果具有可參考性，需要對輸水管道進(jìn)行水力計(jì)算和定性定量分析，主要依據(jù)原則如下。

（1）選擇貴州地區(qū)具有代表性的大中型已建、在建水利工程，選擇長距離供水管道作為研究對象。

（2）為了便于計(jì)算分析，僅考慮管身段水力因素，不包括進(jìn)出口段水力影響。

（3）管材、管徑D由各種影響因素綜合確定，不對各工程輸水管道管材、管徑選擇做詳細(xì)分析，管材主要包括玻璃鋼夾砂管、球墨鑄鐵管和鋼管，糙率分別為0.009，0.013和0.013。

（4）管道轉(zhuǎn)彎半徑R。①玻璃鋼夾砂管：DN＜1 200，R取值1.5D；DN≥1 200，R取值1.0D；②球墨鑄鐵管：DN≤1 400，R取值1.0D；DN＞1 400，R取值0.8D；鋼管：R取值3.0D。

（5）管道水力計(jì)算中，過水?dāng)嗝娌诼室恢拢蚱渌蛞鸬牟诼首兓雎圆挥?jì)。

（6）分析管段不含支管，管材統(tǒng)一，流量損失忽略不計(jì)。

（7）由于水利工程建設(shè)前期設(shè)計(jì)階段對相關(guān)設(shè)計(jì)工作精度要求不同，管道水力計(jì)算分析中局部水頭損失通常按沿程水頭損失的10%考慮。

（8）實(shí)施階段充分考慮輸水管道布置引起的局部水頭損失變化，分析管段轉(zhuǎn)彎位置均為圓弧彎頭。

（9）按恒定均勻流進(jìn)行管道水力計(jì)算分析。

2.2 計(jì)算理論與方法

輸水管道水力計(jì)算內(nèi)容主要包括沿程水頭損失和局部水頭損失，其中沿程水頭損失按達(dá)西-魏斯巴哈公式和曼寧公式計(jì)算［1-4］。

達(dá)西-魏斯巴哈公式為

式中，hf為管道沿程水頭損失，m；L為管道長度，m；d為管道內(nèi)徑，m；v為管道過水?dāng)嗝娴钠骄魉?，m/s；g為重力加速度，m/s2；λ為沿程水頭損失，λ=8 g/C2。

曼寧公式為

式中，R為水力半徑，m；n為糙率。局部水頭損失計(jì)算公式為

式中，ζ為局部水頭損失系數(shù)，其數(shù)值主要受水流局部變化、邊界幾何形狀、尺寸等影響。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)工程分布，選擇具有區(qū)域代表性的大中型水庫工程中輸水管道水力計(jì)算成果進(jìn)行匯總分析，見表1。該研究僅選擇了人畜飲水或工業(yè)用水輸水管道，管徑相對較小，個(gè)別工程由于處于山區(qū)，管道布置線路較長，雖然管徑較大但也納入了分析范圍。

通過對結(jié)果進(jìn)行初步分析，在同等條件下，由于轉(zhuǎn)彎半徑的不同，各管材對應(yīng)的局部水頭損失所占沿程水頭損失比例不相同。同時(shí)，受地形條件、輸水管道布置影響，相同管材在同等規(guī)格和流速相當(dāng)?shù)那闆r下，局部水頭損失所占沿程水頭損失比例差異較大，特別是大口徑輸水管道，該比例甚至達(dá)到60%左右。3種管材中，由于鋼管轉(zhuǎn)彎半徑相對較大，在地形條件較好、非連續(xù)起伏波浪布置、管道流速不大時(shí)，前期設(shè)計(jì)水力計(jì)算中局部水頭損失可以按沿程水頭損失的10%初步估算，其余兩種管材輸水管道局部水頭損失占沿程水頭損的10%～20%，輸水流速在1.0～1.7 m/s之間。

通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散分析（見圖1～2），當(dāng)輸水管徑在0.5～1.6 m、流速分布在0.8～1.6 m/s之間時(shí)，輸水管道局部水頭損失占沿程水頭比例約為3%～20%；受地形條件、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等影響，該比例可能較大，本次樣本分析中最高可達(dá)沿程水頭損失的75%。

圖1 管徑-局部水頭損失占沿程水頭損失比例離散圖

3 管道布置對局部水頭損失計(jì)算的影響

貴州省以山地、丘陵為主，平原較少，可用于農(nóng)業(yè)開發(fā)的土地資源有限，人均耕地面積不到500 m2（0.05 hm2），村寨主要分布在地勢平坦、條件相對較好的區(qū)域。為避免工程建設(shè)和運(yùn)行管理對附近居民生活生產(chǎn)造成較大影響，主要輸水管道布置一般遠(yuǎn)離村寨，加之山丘峰巒疊嶂，布置剖面連續(xù)起伏，造成管道安裝轉(zhuǎn)彎點(diǎn)較多。在平原地區(qū)或地形條件較好的情況下根據(jù)沿程水頭損失估算局部水頭損失，但估算結(jié)果往往與實(shí)際情況相差較大。除了管道自身結(jié)構(gòu)要求外，管道布置直接影響了局部水頭損失計(jì)算。

圖2 流速-局部水頭損失占沿程水頭損失比例離散圖

工程前期設(shè)計(jì)階段，特別是管道選線，當(dāng)輸水壓力水頭控制較為嚴(yán)格時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合效益區(qū)和輻射區(qū)地形、地貌、地質(zhì)條件，盡量選擇地勢平坦區(qū)域布置線路，減少局部水頭損失。受自然條件、社會等客觀因素影響，當(dāng)管線布置區(qū)域條件較差，沿線地形較陡、地勢起伏較大時(shí)，局部水頭損失估算應(yīng)考慮采用所占沿程水頭損失比例較大值或根據(jù)實(shí)際布置計(jì)算。

表1 輸水管道水力計(jì)算成果匯總

4 局部水頭損失對工程建設(shè)的影響

在工程前期設(shè)計(jì)工作中，特別是管道前后連接其他建筑物時(shí)，局部水頭損失計(jì)算是否準(zhǔn)確，對實(shí)施階段各輸水建筑物建設(shè)影響較大，尤其是長距離輸水管道，情況嚴(yán)重時(shí)直接影響其他建筑物型式的調(diào)整，增加工程建設(shè)投資成本。

若前期輸水管道水力計(jì)算局部水頭損失考慮過于保守，則會引起后續(xù)建筑物布置高程降低、壓力水頭浪費(fèi)較多、供水范圍縮小，影響工程效益的發(fā)揮；同時(shí)可能影響工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，造成水資源不能合理開發(fā)利用。因此，在滿足工作要求的情況下，如何較為準(zhǔn)確合理地計(jì)算輸水管道局部水頭損失至關(guān)重要，在一定程度上將影響工程正常建設(shè)和功能效益發(fā)揮。

5 結(jié)論

山區(qū)長距離輸水管道的局部水頭損失是管線設(shè)計(jì)中最基本，也是最重要的計(jì)算參數(shù)之一，本文結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行對比分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

（1）山區(qū)長距離輸水管道設(shè)計(jì)中，當(dāng)管徑為0.5～1.6 m、流速為0.8～1.6 m/s時(shí)，局部水頭損失占沿程水頭比例為3%～20%；地形條件復(fù)雜的區(qū)域，甚至可達(dá)到60%左右。局部水頭損失較大的主要原因是山區(qū)長距離輸水線路起伏較大且分布較多，造成管道轉(zhuǎn)彎點(diǎn)多，加大局部水頭損失。

（2）山區(qū)長距離輸水管道前期設(shè)計(jì)時(shí)，局部水頭損失若仍按沿程水頭損失的5%～10%考慮，后期施工圖設(shè)計(jì)時(shí)容易出現(xiàn)不能滿足建筑物布置要求等問題，因此應(yīng)結(jié)合地形圖資料精度、管材、管徑、流速、管道布置等進(jìn)行綜合考慮分析，使局部水頭損失計(jì)算科學(xué)合理，避免后期由于局部水頭損失引起較大的設(shè)計(jì)變更。

（3）由于本文分析對象樣本容量有限，其分析成果具有一定區(qū)域性和局限性，還需要進(jìn)行更為詳細(xì)、深入的進(jìn)一步研究。