玻璃钢管道糙率值实证分析

蒲振旗 徐元禄 周 骞

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 乌鲁木齐 830000)

管道水力学计算的主要内容是确定水头损失。水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失两部分，通常根据这两种水头损失在总水头损失中所占比重的大小，将管道分为长管及短管，长管是指水头损失以沿程水头损失为主，其局部损失和流速水头在总损失中所占比重很小，计算时可以忽略不计且不影响计算精度的管道;短管是局部损失及流速水头在总损失中占有相当的比重(一般认为局部损失及流速水头大于沿程损失的5%)，计算时不能忽略的管道。影响管道过水能力的主要因素有管道断面形状、尺寸、断面粗糙程度以及进出口建筑物和管线纵向布置形式等。不论是按长管抑或按短管计算，管道断面粗糙程度的界定，即糙率系数n值的取值对计算结果有很大的影响。目前，有些专著［1］和玻璃钢生产厂家对玻璃钢管糙率值，即n值的推荐值为0.0084，大多数设计单位在设计中取值为0.009。本文以已建成投入运行的新疆北疆供水工程之组成部分——小洼槽倒虹吸工程为研究对象，通过实测相关参数，经分析计算得出了与上述n值有较大差距的结论，供同行讨论、参考。

1 工程简介

1.1 主要设计参数

新疆北疆供水工程中的小洼槽倒虹吸全长5765m，采用双管线布置形式，地埋式敷设，管内径3100mm，单管设计过水流量为15.25m3/s，加大流量为17.5m3/s，工作压力0.46MPa，管材为玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管(简称FRP管或玻璃钢夹砂管)，管内径3.1m，为我国同类管材中管径最大的工程。本工程2005年完工并试运行1个月，2006年至今投入正常使用。工程设计工作压力0.46MPa，试验压力0.69MPa，管内真空压力0.1MPa。直管段管壁厚度58.5mm，其中内衬厚度2.5mm，结构层厚度55.5mm，外保护层厚0.5mm，标准管有效长度12000mm。标准管结构见图1。

1.2 主要工程量

倒虹吸管道总长2×5346m，其中FRP管长2×5187m(标准管826根，非标准管60根)、钢制管件总长2×159m，沿管线有2×17座镇墩、2×8座进、排气阀井、2×14座人孔井、2×2座放空阀井等构筑物;单线与管道水力学计算有关的管道连接接头共462个、折坡点(弯管)14处、三通管24个、出口平板钢闸门1扇。管道连接形式见图2。

2 问题的提出

图1 管道结构

图2 玻璃钢管道连接示意图

2007年6月上旬，北疆供水工程输水稳定，输水流量接近倒虹吸设计加大流量17.5m3/s，管道以单线方式运行，运管人员在巡视检查过程中发现，倒虹吸工程进口水位明显高于设计水位值，于是组织技术人员对可能影响上游水位雍高的原因进行调查，发现倒虹吸进出口闸门均处于全开状态，进口拦污栅前亦无杂物拥堵，经初步实测，倒虹吸进出口水位差为4.9m，大于设计进出口水位差4.3m，由此初步判断可能是水力学计算中糙率n值取值偏小。为了复核倒虹吸工程的过水能力，即率定本工程管道的糙率值n，运行管理单位组织专门力量开展了近一个月的实测。

3 倒虹吸工程运行工况

a.过水流量Q值稳定。

b.进出口闸门处于全开状态。

c.两处放空阀处于全关状态。

4 实测方法

4.1 过流流量测定

采用UF—9114声路流量计采集流量数据，该设备施工期间已安装在倒虹吸出口管段，可每秒钟自动采集16次流量数据，且实时传输至控制屏。

4.2 进口进水室水位值测定

采用超声波水位计，可每秒钟自动采集水位数据16次且实时传输至控制屏。

4.3 出口消力池水位测定

倒虹吸管道出口与消力池连接，因出口消力池长30m、宽23m、尾端坎高4.2m，容积较大，经观察，在流量稳定时，消力池水位变幅很小，故出口消力池水位采用测绳人工施测，且两次施测间隔要大一些，每次实测期间采集的水位值要少一些。

5 实测水力学参数

实测数据均值见表1。

表1 实测数据均值

6 实测值合理性分析

6.1 水位值

6.1.1 进水室水位

第一次实测水位变幅值为0;第二次实测水位变幅为590.00～590.07m，变幅值为0.07m;第三次实测水位变幅为589.86～589.93m，变幅值为0.07m;第四次实测水位变幅为589.73～589.77m，变幅值为0.04m;第五次实测水位变幅为589.90～589.94m，变幅值为0.04m。五次实测水位变幅值占均值水位最大仅0.12‰，最小为0。导致水位变幅的主要因素是因为风力作用使进水室水面产生轻微涌浪。

6.1.2 消力池水位

第一次实测水位变幅为585.274～585.284，变幅值为0.01m;第二次实测水位变幅为585.258～585.320m，变幅值为0.062m;第三次实测水位变幅值为0;第四次实测水位变幅为585.194～585.204m，变幅值为0.01m;第五次实测水位变幅值为0。五次实测水位变幅值占均值水位最大仅0.105‰，最小为0。导致水位变幅的主要因素是风力作用使消力池水面产生轻微涌浪。

6.1.3 流量值

第一次实测流量变幅为17.19～17.38m3/s，变幅值为0.19m3/s;第二次实测流量变幅为17.0～17.221m3/s，变幅值为0.221m3/s;第三次实测流量变幅为16.615～16.935m3/s，变幅值为0.32m3/s;第四次实测流量变幅为16.5～16.9m3/s，变幅值为0.4m3/s;第五次实测流量变幅为16.57～16.88m3/s，变幅值为0.31m3/s。五次实测流量变幅值占均值流量最大为2.4%，最小为1.10%，小于UF—9114流量计所标识的计量误差小于5%的误差范围。

7 水力学计算

7.1 基本公式

为方便计算，取上游进水室为1－1断面，下游消力池为2－2断面(计算简图见图3)。

此区间的边界条件比较清楚，简化后的能量方程如下:

式中 Z1——倒虹吸进口进水室水位，m;

Z2——倒虹吸出口消力池水位，m;

∑ζi——局部水头损失系数之和;

g——重力加速度，m/s2;

C——谢才系数;

n——管道糙率;

d——管道内径，m;

L——管道长度，m;

Q——流量，m3/s。

7.2 局部水头损失计算

7.2.1 弯管局损∑ζ弯管

本工程单管线总计设置弯管13个，各弯管几何参数、局损计算详见表2。弯管局部水头损失计算公式:

式中 ζ——局部水头损失系数;

d——弯管内径，m;

ρ——弯管转弯半径，m;

θ ——弯管圆心角，(°)。

图3 倒虹吸布置示意图

表2 各弯管几何参数及局损计算

7.2.2 进口局损ζ进口

进口为圆角，取 ζ进口=0.1［2］。

7.2.3 末端闸门槽局损ζ门槽

出口平板闸门全开，取 ζ门槽=0.4［3］。

7.2.4 出口局损ζ出口

倒虹吸管线出口接消力池，属淹没出流，取ζ出口=1.0［3］。

由此得出∑ζi=1.669775。

7.3 管道糙率值计算

7.3.1 按第一次实测值计算糙率值n，流量、上下游水位均取均值

a.将钢制管件、玻璃钢管沿程损失分别计算。

式中 λ1、λ2——玻璃钢管段及钢管段沿程水头损失系数;

d1、d2——玻璃钢管和钢管内径，m;本工程d1=d2=3.1m;

L1、L2——玻璃钢及钢管段长度，m。

取钢制管件段糙率n=0.011(属新管)，将已知数值 Q=17.26m3/s、z=4.89m、钢制管件总长 159m、玻璃钢管长5187m等代入以上公式求得玻璃钢管道糙率值n=0.01062。

b.将整个管线视为玻璃钢管道，将管线总长5346m等已知数据代入以上公式求得管线综合糙率值n=0.01063。

7.3.2 按第二次实测值计算糙率值n

a.将钢制管件、玻璃钢管沿程损失分别计算:将已知数值Q=17.086m3/s、z=4.736m等已知数据代入以上公式求得玻璃钢管道糙率值n=0.01059。

b.将整个管线视为玻璃钢管道，将已知数据代入以上公式求得管线综合糙率值n=0.01060。

7.3.3 按第三次实测值计算糙率值n

a.将钢制管件、玻璃钢管沿程损失分别计算:将已知数值Q=16.795m3/s、Z=4.623m等已知数据代入以上公式求得玻璃钢管道糙率值n=0.01061。

b.将整个管线视为玻璃钢管道，将已知数据代入以上公式求得管线综合糙率值n=0.01062。

7.3.4 按第四次实测值计算糙率值n

a.将钢制管件、玻璃钢管沿程损失分别计算:将已知数值Q=16.65m3/s、Z=4.551m等已知数据代入以上公式求得玻璃钢管道糙率值n=0.01062。

b.将整个管线视为玻璃钢管道，将已知数据代入以上公式求得管线综合糙率值n=0.01063。

7.3.5 按第五次实测值计算糙率值n

a.将钢制管件、玻璃钢管沿程损失分别计算:将已知数值Q=16.675m3/s、Z=4.676m等已知数据代入以上公式求得玻璃钢管道糙率值n=0.010768。

b.将整个管线视为玻璃钢管道，将已知数据代入以上公式求得管线综合糙率值n=0.010775。

8 结论

a.所选倒虹吸进出口计算断面边界条件清楚，进出口局损系数选取准确;

b.管线弯管边界条件详尽，弯管局损系数计算准确;

c.管道连接为承插连接形式，形成多达462个错台(见图2)，肯定会产生局部水头损失，因目前尚无成熟的经验公式进行计算，故未予计入;

d.管道沿线设置有24个三通件(其中检修人孔14个，内径700mm;进排气阀8个，内径600mm;底部放空2个，内径300mm。)，也会产生局部水头损失，本次计算中也未予计入;

e.五次实测值计算结果为:

玻璃钢管道糙率值n=0.01059～0.010768，绝对差值为 1.78 ×10－4，均 值为 0.01064，比较差 为1.67%。所得结果较本工程设计取值(0.009)大17.67%～19.72%，较玻璃钢生产厂家推荐值(0.0084)大22.5%～28.27%。因计算中未计入管道接头和三通件产生的局部水头损失，因此，求得的糙率值应称为玻璃钢管道的综合糙率值。

将整个管线视为玻璃钢管道，求得的管线综合糙率值n=0.01060～0.010775，均值为0.01065，与两种管材分别计算水头损失所得结果相比，差别很小，因此，在进行玻璃钢管道水力学计算时，当异型管材长度(管径相同情况)占管线总长度比重小于5%时，为使计算变得简单快捷，可将整个管线视为玻璃钢管材，其计算结果完全满足精度要求。

1 岳红军.玻璃钢夹砂管道［M］.北京:科学出版社.1998.

2 余际可，魏璟，罗尚生，邓绥宇.倒虹吸管［M］.北京:水利电力出版社，1983.

3 成都科技大学水力教研室.水力学［M］.北京:高等教育出版社，1982.