椒花水庫供水管線水力計算

沈 斯

（長沙市水利水電勘測設(shè)計院，湖南 長沙 410008）

1 工程概況

椒花水庫工程位于湖南省瀏陽市和長沙縣，主要包括水庫樞紐工程、大溪河引水工程、供水工程三部分，水庫總庫容17 014 萬m3，水庫壩址距達滸鎮(zhèn)5 km，距瀏陽市40 km，壩址控制流域面積132.5 km2。是一座以城鎮(zhèn)生活和工業(yè)供水、防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電和下游生態(tài)環(huán)境補水等綜合利用的大（Ⅱ）型水庫。水庫樞紐壩址位于瀏陽河上游大溪河流域左岸一級支流椒花河下游。

椒花水庫正常水位為180.0 m，死水位為134.0 m，發(fā)電站尾水水位133.0 m，受水點瀏陽市主城區(qū)規(guī)劃四水廠、金陽新區(qū)規(guī)劃北園水廠和長沙縣城區(qū)規(guī)劃星沙二水廠要求送達的水位分別為107 m、85 m、50 m，水庫至3 處供水受水點的直線距離分別為45 km、57 km 和85 km。

2 供水工程線路布置方案

供水工程通過無壓隧洞、有壓隧洞和埋管重力自流輸水。供水管線沿途設(shè)置瀏陽主城區(qū)、金陽新區(qū)和長沙縣分水口，分別為瀏陽主城區(qū)、金陽新區(qū)和長沙縣供水。

供水線路分為供水主線及支線：供水主線為椒花水庫至長沙縣星沙二水廠，從電站尾水池接出后，整體向西南方向布設(shè)，在蕉溪嶺隧洞內(nèi)設(shè)瀏陽主城區(qū)分水口，出隧洞后向西至北盛鎮(zhèn)北側(cè)設(shè)金陽新區(qū)分水口，后繼續(xù)向西至星沙二水廠。供水支線分別為瀏陽支線（瀏陽主城區(qū)分水口至瀏陽市主城區(qū)規(guī)劃四水廠）及金陽支線（金陽新區(qū)分水口至北園水廠）。供水主線及支線水平投影總長103 024.6 m。其中：主線水平投影總長95 932.6 m，支線水平投影總長7 092 m。

供水工程主線分為上游段、蕉溪嶺隧洞段、下游段共三段。

上游段為發(fā)電站尾水池～瀏陽主城區(qū)分水口，總長35 659.6 m，共有5 處隧洞，5 段埋管，1 處箱涵（97.2 m）。隧洞總長7 271.0 m，壓力埋管總長28 291.4 m。上游段基本為有壓供水，僅在線路進口處有97.2 m 無壓箱涵。無壓箱涵采用調(diào)節(jié)池與下游有壓隧洞相接，其余有壓隧洞與埋管均采用壓力箱相接。

蕉溪嶺隧洞段為瀏陽主城區(qū)分水口～蕉溪嶺隧洞出口，總長14 161.2 m，其中洞身段長14 105.0 m，瀏陽分水口以上隧洞斷面尺寸為2.4 m×2.8 m（B×H），長度為4 847.6 m，瀏陽分水口以下隧洞斷面尺寸為2.2 m×2.8 m（B×H），長度為9 257.4 m。蕉溪嶺隧洞段為無壓供水段，進出口均采用調(diào)節(jié)池與有壓管道相接。

下游段為蕉溪嶺隧洞出口～星沙二水廠，總長46 111.8 m，共有1 處隧洞，2 段壓力埋管，隧洞長2 731.2 m，壓力埋管總長43 380.6 m。隧洞為有壓供水，有壓隧洞與埋管采用壓力箱相接。

瀏陽支線長度為6 482 m，其中1 處隧洞，1 處箱涵，1 段壓力管道，隧洞洞身長4 817.0 m，為無壓隧洞，隧洞出口為無壓箱涵，長43.0 m，箱涵下游接有壓埋管，長1 622 m。無壓箱涵與有壓管道采用調(diào)節(jié)池相接。

金陽支線長度為610 m，為壓力埋管。

供水管線共設(shè)66 座排水閥井、139 座空氣閥井、30 座檢修閥井。

3 供水線路水頭要求

本工程供水方式為以有壓為主的重力供水，各段要求的水頭特點如下：

1）星沙二水廠：供水管道進水口水位為133.0 m，受水點要求水位為50.0 m，總水頭為83.0 m，管線長度約為96.0 km，分配平均水頭為0.86 m/km；

2）北園水廠：供水管道進水口水位為133.0 m，受水點要求水位為85.0 m，總水頭為48.0 m，管線長度約為63.6 km，分配平均水頭為0.75 m/km；

3）瀏陽四水廠：供水管道進水口水位為133.0 m，受水點要求水位為107.0 m，總水頭為26.0 m，管線長度約為47.0 km，分配平均水頭為0.55 m/km。

從上面可以看出，各受水點控制性水頭高程為瀏陽四水廠。

4 供水管線恒定流水力計算

4.1 特征流量

供水線路各段特征流量見表1。

表1 供水線路各段設(shè)計流量表 m3/s

4.2 糙率確定

糙率的取值不僅要考慮運行初期滿足過流要求，還要考慮長期運行后管道糙率的變化。設(shè)計糙率取值過大，長期運行的實際糙率小于此值，會造成浪費，不能充分發(fā)揮投資效益；反之取值過小，會導(dǎo)致過流能力不足。因此，糙率選取應(yīng)綜合考慮管材及制作工藝、供水水質(zhì)對糙率的影響等因素，選取能包絡(luò)各種運行工況的范圍值。當(dāng)驗算過流能力及計算最低壓坡線時宜采用大值，當(dāng)計算最高壓坡線時宜采用小值。使供水管道既能在長期運行時保證達到設(shè)計流量，又能安全運行。

根據(jù)《水力計算手冊》和相關(guān)工程經(jīng)驗，糙率取值見表2。

表2 各工況下糙率系數(shù)的取值表

4.3 重力流有壓管線水頭損失計算

對于重力供水管線，進水口與受水點水位差值應(yīng)等于管路阻力損失，即：

∑H=L×i

式中 ∑H——管線沿程損失和局部損失之和；

L——管線長度；

i——單位管線長度的水力坡降。

1）沿程水頭損失采用謝才公式：

謝才系數(shù)：

式中 Hi——沿程水頭損失（m）；

L——管道長度（m）；

n——粗糙系數(shù)；

R——水力半徑（m）；

Q——設(shè)計流量（m3/s）；

V——平均流速（m/s）。

2）局部水頭損失計算：

式中 v——管道水流平均流速（m/s）；

ξ——局部水頭損失系數(shù)。

①彎管局部水頭損失系數(shù)取值見表3。

表3 90°彎管局部水頭損失系數(shù)表

任意角度的局部水頭損失系數(shù)ξα°=aξ90°，任意角度彎管局部水頭損失系數(shù)見表4。

②事故連通管三通取ξ=0.10。

③檢修閥門取ξ=0.2。

表4 任意角度彎管局部水頭損失系數(shù)表

每個空氣閥、排水閥局部水頭損失系數(shù)取0.1，每個檢修閥局部水頭損失系數(shù)取0.5，出口流入水池局部水頭損失系數(shù)取1.0。

4.4 無壓隧洞水力計算

主要綜合考慮隧洞過水流量，水頭損失并結(jié)合施工要求，通過試算確定斷面尺寸及縱坡。見表5。

表5 無壓隧洞水力計算表

4.5 供水線路斷面尺寸及壓坡線計算成果

根據(jù)各分水口之間的流量，管道長度，選定的管材管徑及分段的水頭損失，控制流速大致相同進行計算，見表6。

表6 供水管線水力計算表

5 結(jié) 論

供水線路的投資占整個工程投資比重較大（本項目供水工程投資占工程部分投資的57%，占工程總投資的28.3%），線路選擇的優(yōu)劣對工程項目的技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性影響較大。因此，線路的選擇必須多方案比較，精心設(shè)計。

管道盡量走直線，以縮短管道長度，也應(yīng)綜合考慮選擇糙率較小的管材，減小管線沿程水頭損失；并盡量減少急劇轉(zhuǎn)彎，以降低管線局部水頭損失；同時應(yīng)做好有壓、無壓供水部分的水頭分配，減小供水線路管徑及工程造價。經(jīng)過恒定流水力計算，可以合理地確定供水線路布置的現(xiàn)狀地面高程，既可以讓管線的內(nèi)水壓力盡可能低，減少不必要的能源消耗；又避免了因壓力水頭不夠而影響正常供水。

供水線路的恒定流水力計算為線路的布置提供了重要依據(jù)，是長距離輸水管線布置非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。