黃水東調(diào)二期輸水管道水頭損失計算

孫浩東，季 珊，秦 峰

（1.濰坊市水利建筑設計研究院有限公司，山東 濰坊 261000；2.濰坊市水利局，山東 濰坊 261000）

0 引 言

我國是水資源較為豐富的國家，但是由于人口基數(shù)大，同時水資源分布不均，部分城市需水水量較大，嚴重制約了城市的發(fā)展進程和經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展。我們國內(nèi)長距離調(diào)水工程較多。而大口徑長距離輸水管道具有較多優(yōu)點，自身密封性好、受環(huán)境影響小、受地形影響小等優(yōu)勢，已成為項目決策者的首選方式[1]。對于大口徑和長距離輸水管道工程的設計任務，最重要的是管道計算，主要涉及的是沿程水頭損失和局部水頭損失計算。

對于長距離輸水管道，沿程水頭損失所占總水頭損失的比例最大，其計算結(jié)果的準確性直接影響工程的安全運行和經(jīng)濟效益。當水頭損失計算值偏大，將會增加工程的投資規(guī)模，使得加壓泵站無法在高效運行區(qū)間工作，增加額外損耗及加重了末端消能負擔；當水頭損失計算偏小時，工程調(diào)水規(guī)模無法達到設計規(guī)模，無法滿足用水需求，無法發(fā)揮工程最大效益。因此，有必要研究大口徑長距離輸水管道沿程水頭損失的計算方法。

文章以山東省黃水東調(diào)二期工程為例，結(jié)合工程建成運行實測數(shù)據(jù)，研究不同水頭損失計算方法和對比計算結(jié)果，最后，對于大口徑長距離輸水管道的沿程水頭損失計算方法的選用，提出了一些建議，及大口徑涂塑鋼管的摩阻系數(shù)參考范圍，為管道設計提供一定參考意義。

1 工程概況

青島、濰坊、威海、煙臺四市是山東省水資源十分緊缺的地區(qū)，受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，持續(xù)干旱缺雨導致當?shù)厮Y源枯竭，四市外來水源供水不足。水資源短缺已成為約束當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的最大制約因素[2]。

為緩解膠東地區(qū)四市頻發(fā)的供水危機，經(jīng)過山東省委省政府及時決策，緊急啟動實施了黃水東調(diào)應急工程，先期即一期工程，調(diào)水實施至濰北二水庫。

黃水東調(diào)應急工程已完成，通水已至濰北二庫，但建成后僅能解決濰坊壽光市和濰坊濱海經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的應急用水，短期內(nèi)仍無法實現(xiàn)向膠東青島、煙臺、威海3市供水，為完善黃水東調(diào)工程體系，故建設了黃水東調(diào)二期工程。

黃水東調(diào)二期工程的總體布局為：在黃水東調(diào)應急工程基礎上，自濰北二庫東壩利用在建的出庫涵閘取水，利用新建泵站加壓后，將通過管道向東南方向輸水。管道布置在引黃濟青干渠的左側(cè)，總體與其平行布置，將水引至宋莊分水閘前，然后利用宋莊分水閘、引黃濟青渠道將水輸送至煙臺、青島及威海。工程同時具有給峽山水庫和濰坊南部地區(qū)供水的作用。為進一步發(fā)揮黃水東調(diào)工程的作用，結(jié)合青島供水系統(tǒng)，將輸水管道繼續(xù)進行延伸，與青島供水管網(wǎng)相接[3-5]。

黃水東調(diào)工程設計年運行時間為243d，年引水量為4.52億m3，年供水量為3.15億m3；二期工程設計流量為15m3/s，工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為Ⅰ等；濰北二庫加壓泵站、沿線輸水管道工程、濟青濟峽連通工程等主要建筑物，其工程級別為1級，次要建筑物級別為3級。主要工程內(nèi)容為：①取水工程。新建實施濰北二庫加壓泵站。②輸水工程。包括濰北二庫至宋莊工程，其中包含輸水管道及交叉建筑物、閥門井等附屬設施，管線長46.707km；濟青濟峽連通工程（含豐泉水庫支線），管線長3.976km；宋莊出口工程，宋莊東延工程輸水管道及交叉建筑物、閥井等附屬設施，管線長5.792km。

2 水力損失計算方法

對于管道沿程水頭損失計算，多數(shù)為經(jīng)驗公式和半經(jīng)驗公式，其中的參數(shù)多是建立在大量的試驗基礎上確定的。

2.1 達西—魏斯巴赫公式

達西—魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式：

式中：hf為沿程水頭損失，m；λ為沿程水頭損失系數(shù)；l為管長，m；d為管徑，m；v為管道水流速度，m/s。

謝才（A.de Chezy）公式：

式中：C為謝才系數(shù)；J為水力坡度，m；R為水力半徑，m。其中J為水力坡度，即水頭損失與管道長度的比值J=hf/l；d=4R；

將上述兩公式進行聯(lián)立推導。

上述公式中謝才系數(shù)C的計算，目前有很多經(jīng)驗公式。

曼寧公式：

巴普洛夫斯基公式：

式中：n為糙率，R為水力半徑。巴普洛夫斯基公式考慮了指數(shù)變化，較為復雜，工程界應用較多的是采用曼寧公式，其計算參數(shù)較為簡便。但是由于計算謝才系數(shù)的曼寧公式，只適用于紊流粗糙區(qū)，所以利用該公式計算沿程水頭損失只適用于管道水流處于紊流粗糙區(qū)的情況[6]。

2.2 海曾—威廉公式

海曾—威廉公式是在大量管道試驗和數(shù)據(jù)分析基礎上建立的。該公式為純經(jīng)驗公式。該公式的適用范圍取決于試驗所獲取數(shù)據(jù)的管道水力流態(tài)狀態(tài)。該公式適用于紊流過渡區(qū)和部分紊流光滑區(qū)的管道水力計算。

海曾—威廉公式：

式中：Q為流量（m3/s）；Ch為沿程摩擦系數(shù)。

該公式涉及參數(shù)較少，僅有一個沿程摩擦系數(shù)，針對不同管道選取不同的系數(shù)，所以該公式適用于不同材質(zhì)的管道，同時不用區(qū)分所在的水力分區(qū)。

2.3 灌排公式

規(guī)范《灌溉與排水工程設計標準》中推薦的公式計算：

式中：f摩擦系數(shù)；m流量指數(shù)；b管徑指數(shù)。

3 黃水東調(diào)二期工程管道水頭損失計算

選取管段為濰北二庫流量計井至宋莊管理所調(diào)控井范圍（樁號為0+025~46+550），管道總長度46.52km，該管道供水方向為由濰北二庫至宋莊出口閘，計算流量為9 150m3/h。管道為DN2400的涂塑鋼管。

利用以上工況，分別采用上述水頭損失計算公式方法計算。見表1~表3。

表1 達西—魏斯巴赫公式計算數(shù)據(jù)

表2 海曾—威廉公式計算數(shù)據(jù)

根據(jù)達西—魏斯巴赫公式計算，鋼管糙率取值范圍為0.0 110~0.0 125，糙率取0.012計算，水頭損失為4.1 830m。

根據(jù)海曾—威廉公式計算，鋼管沿程摩擦系數(shù)Ch取值范圍為130~145，沿程摩擦系數(shù)Ch取140計算，水頭損失為4.1 674m。

采用灌排公式，計算水頭損失為5.6 382m。

4 運行工況實測水頭損失驗證

黃水東調(diào)二期工程建成后，運行狀況良好，發(fā)揮了較大作用。根據(jù)運行工況下，讀取壓力傳感器的數(shù)值，可以計算出管道實際水頭損失。故可以用來驗證上述水頭損失計算結(jié)果的準確度。

本次采用宋莊管理所的宋莊調(diào)控壓力井和濰北二庫流量井的傳感器。當運行工況為9 150m3/h時，宋莊調(diào)控壓力井的調(diào)壓閥閥前壓力為0.021MPa，高程為6.97m，濰北二庫流量井的壓力傳感器壓力為0.13MPa，高程為0.00m。經(jīng)計算實測水頭損失為3.930m。

經(jīng)計算對比，利用海曾—威廉公式計算結(jié)果最為接近實測值，計算準確度較高。該公式適用于不同材質(zhì)的管道，同時不用區(qū)分所在的水力分區(qū)。

采用達西—魏斯巴赫公式計算，其結(jié)果也相對接近，這是由于大口徑管道內(nèi)部一般處于紊流過渡區(qū)，部分可能處于紊流粗糙區(qū)，適用達西—魏斯巴赫公式。但是隨著制管工藝的不斷進步，管道內(nèi)壁也越光滑，管道內(nèi)部水流也將趨于全部位于紊流過渡區(qū)，甚至是光滑區(qū)，達西—魏斯巴赫公式將不再適用，計算結(jié)果準確度變差。

灌排公式的計算結(jié)果偏離較大，這是由于計算參數(shù)導致的，現(xiàn)有鋼管的管道參數(shù)沒有考慮實際管道內(nèi)部防腐涂層的存在，內(nèi)壁較為光滑，這就導致計算結(jié)果準確度較差，不再適用。

根據(jù)傳感器實測水頭損失，利用達西—魏斯巴赫公式和海曾—威廉公式反算出糙率和沿程摩擦系數(shù)，分別為0.0 116和144.50。兩個計算參數(shù)分別位于取值范圍的下限和上限值?？梢妼τ诖罂趶酵克茕摴芩^損失計算，按照規(guī)范推薦取值計算，計算得出水頭損失偏大，偏于保守。這對于管道初期運行可能會帶來影響，隨著管道運行時間變長，糙率會變大，影響將逐漸減小。

5 結(jié) 語

文章采用三種水頭損失計算方法對比，發(fā)現(xiàn)采用海曾—威廉公式計算，結(jié)果最為接近實測值，計算準確度較高。海曾—威廉公式是在大量管道試驗和數(shù)據(jù)分析基礎上建立的，適用范圍較廣。文章通過實測數(shù)據(jù)對比驗證，在長距離輸水管道水頭損失計算中，推薦采用海曾—威廉公式。綜合了國內(nèi)外相關經(jīng)典數(shù)據(jù)的推薦值，吸收和總結(jié)了國內(nèi)實驗數(shù)據(jù)的試驗值和典型項目的計算取值，最終推薦給出了摩阻系數(shù)的取值范圍。摩阻系數(shù)可依據(jù)該規(guī)范取值，使計算出的結(jié)果更加合理準確。