大口径玻璃钢管承插式接头局部水头损失系数探究

常　胜，牧振伟，万连宾

(1.新疆水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局， 新疆 乌鲁木齐 830000)



大口径玻璃钢管承插式接头局部水头损失系数探究

常胜1，2，牧振伟2，万连宾3

(1.新疆水利水电勘测设计研究院， 新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学 水利与土木工程学院， 新疆 乌鲁木齐 830052；3.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局， 新疆 乌鲁木齐 830000)

针对大口径玻璃钢管承插式接头局部水头损失系数取值问题，以新疆小洼槽倒虹吸工程为例，结合工程实际选取合理的观测段，并依据多年实测资料，采用伯努利方程原理，初步确定倒虹吸管承插式接头局部水头损失系数。在此基础上，将倒虹吸全段水头损失(包含承插口接头局部水头损失)水力计算结果与上下游水位实测数据进行对比分析，验证该系数取值范围的准确性。最终建议大口径玻璃钢管承插式接头局部水头损失系数ζ取值范围为0.0035～0.005。

大口径管道；玻璃钢管；承插式接头；局部水头损失系数；水头损失

管道水力计算主要涉及沿程水头损失和局部水头损失的计算，其计算结果对于确定管径、流量、断面压强以及泵型选取等方面起着决定性作用。长期以来，我国中小型输水管道工程局部水头损失计算往往按照沿程水头损失的5%～10%比例取值。但对于大型输水工程水力计算，局部水头损失系数作为水力计算重要参数，须严格按照规范或设计手册中给定的参考值计算。但随着工程多样性、特殊性，管道工艺提高，施工方法改进等因素出现，使得现有局部水头损失系数参考值无法满足大口径输水管道工程的设计需求。本文以新疆小洼槽倒虹吸工程为原型，结合多年工程运行实测资料，对大口径玻璃钢管承插式接头局部水头损失系数进行探究。

1　研究背景

小洼槽倒虹吸工程属北疆供水工程系统重要节点工程，全长约5.8 km(其中管长5 346 m)，双线布置，单管设计流量17.5 m3/s，最大水头损失设计值4.328 m。管材选用热固性树脂增强玻璃纤维缠绕夹砂玻璃钢，管道直径3 100 mm，是目前国内管径最大的玻璃钢管道工程。常胜等[1]在探究“小洼槽倒虹吸过流能力与设计标准不符”问题时，发现水流流态判别忽略是造成该问题的主要原因；但与此同时，发现选用适用范围符合实际流态的公式(如齐恩公式)，水头损失计算结果仍与实测数据存在10%左右的差值。初步判断该差值是由未考虑管道连接部分的局部水头损失所致。

小洼槽倒虹吸标准管道(12 m)连接采用承插式接头型式，见图1所示(尺寸详见表1)。承口与插口相接处存在一圈环状凹槽(长约360 mm，宽约0～77 mm)，管道水流流经凹槽处，水流受管道形变影响将受到部分扰动产生局部水头损失。单个凹槽造成的水头损失影响甚微，但小洼槽倒虹吸(单管)共有462个接头，累加效应使得该类局部水头损失问题凸显。局部水头损失计算通常参照设计手册及规范，选用相似形变件所对应的局部水头损失系数与管道流速水头乘积hj=ζ·v2/2g表示。但现行设计手册及规范中尚未给出缠绕式玻璃钢承插口接头局部水头损失系数经验值参考。为准确计算管道水头损失，需确定单个接头局部水头损失系数ζ0。

图1　小洼槽倒虹吸管承插式接头示意图

2　研究方法

目前，局部水头损失系数的研究方法主要分为两种：一是根据水力学原理，采用物理模型试验或者现有工程观测数据计算总结得出；二是借助现有计算机软件对流体进行数值模拟，从而得到相应结果。本文结合工程实际，选择前者作为大口径玻璃钢管承插式接头局部水头损失系数的研究方法，具体做法如下：

(1) 考虑到尽可能消除或减弱其他形变件(进出口、拦污栅、门槽等)引起的局部水头损失、风浪、观测等因素影响，结合工程现有条件同时为凸显承插口接头造成的局部水头损失。本文选取的观测段桩号0+887.0—5+412.0，全长4 525.570 m，该段承插口接头共计n=390个；桩号0+887.0、5+412.0处(双管)设置高精度脉冲压力传感器，其中1#管道设置2个传感器(AP2、AP10)，2#管道设置2个传感器(AP1、AP9)，括号内为传感器编号。为简化方便下文将桩号0+887.0、5+412.0过水断面分别称为过水断面1与过水断面2，中心高程分别为566.80 m和572.5 m。通过压力传感器可以得到相应位置的压强水头，再根据伯努利方程原理，即实际液体能量方程计算出过水断面1、断面2之间水头损失hw，hw=hf+hj。

实际液体能量方程：

(1)

式中：z为过水断面中心高程；p/ρg为压强水头；αv2/2g为流速水头，α1=α2=1.0；

(2) 小洼槽倒虹吸管内水流流态可根据A.M.库尔干诺夫公式Re·k/d判别，10

达西-魏斯巴赫公式：

(2)

齐恩公式：

(3)

式中：hf为沿程水头损失，m；λ为沿程阻力系数；l为管道长度，m；d为管径，m；v为管道水流流速，m/s；k为管道当量粗糙度，mm；Re为雷诺数。

(3) 通过设计资料及工程实际，可以了解到桩号0+887.0～5+412.0段局部水头损失主要由承插口接头、管道变坡处缓弯段以及T形盲孔三种形变件造成的。现行设计手册[2]针对弯管局部水头损失系数计算公式主要推荐公式(5)和公式(6)，其中公式(6)是由WEISBACH根据D=30 mm圆形折弯管实验所得[3]。因此，该试验段选用较为合适的公式(5)计算管道变坡处缓弯段局部水头损失系数，计算结果见表2。由于线路长，全线设置的进入孔、排气阀、放水孔等T形盲孔数目较多，单个T形盲孔的局部水头损失系数不同资料差异较大，等径T形盲孔(600 mm)的局部水头损失系数在0～0.1 之间，试验量测值为0.026～0.041[4]。该试验段T形盲孔共计14个，局部水头损失系数ζT形盲孔建议取值0.041。将式(1)和式(2)计算结果及其他局部水头损失参数计入公式(4)，初步得到小洼槽玻璃管管单个接头局部水头损失系数ζ0。

(4)

(5)

(6)

式中：hj为局部水头损失，m；n为承插口接头个数；ζ0为单个接头局部水头损失系数；ζT形盲孔、ζ缓弯管、ζ折弯管分别为T形盲孔、缓弯管和折弯管局部水头损失系数；R为弯管转弯半径，m；θ为弯管转弯圆心角，(°)；β为折弯管轴线与水平方向夹角，(°)。

表2　小洼槽倒虹吸变坡缓弯管(桩号：0+887.0—5+412.0段)局部水头损失系数

注：表中桩号，弯管转弯圆心角θ，弯管转弯半径R参考石泉等[4]《小洼槽倒虹吸管线布置表》及蒲振旗等[5]《各弯管几何参数及局损计算表》。

(4) 将第(3)步中的ζ0计入小洼槽倒虹吸水力计算中，验证其准确性。其中，倒虹吸管沿程水头损失计算仍采用第(2)步推荐的达西-魏斯巴赫公式和齐恩公式；局部水头损失除ζ0外，还应考虑进出口处、缓弯段、T形盲孔等[6-8]。进出口处局部水头损失系数参考李炜等[2]水力设计手册进口局部水头损失系数ζ进口取值0.25，出口ζ出口取值0.50；缓弯段、T形盲孔计算方法参见第(3)步。

3　实例分析

3.1局部水头损失系数确定

通过上述方法计算可得到小洼槽倒虹吸(桩号：0+887.0—5+412.0段)若干组不同流量工况下承插口接头局部水头损失系数ζ0，限于篇幅现将部分数据列于表3。与此同时，为了更好地确定局部水头损失系数ζ0取值范围，本文根据不同流量工况计算结果(共计39组工况)绘制了Q～ζ0散点图，见图2。

图2小洼槽倒虹吸管承插式接头系数Q-ζ0散点图

从表3中可以发现，缓弯管段局部水头损失系数∑ζ缓弯管约占总局部水头损失系数的6.41%～7.73%；T形盲孔∑ζT形盲孔比例占21.64%～26.11%；而承插口接头局部水头损失系数∑ζ0比例高达70%左右，但单个接头局部水头损失系数却很小。通过图2初步得到小洼槽玻璃管单个接头局部水头损失系数ζ0取值范围为0.0035～0.005。同时发现随着管道内水流流量增大，承插口局部水头损失系数ζ0呈现逐渐减小的趋势。

表3　小洼槽倒虹吸管段(桩号：0+887.0 — 5+412.0段)承插口接头局部水头损失系数计算表

3.2原形管道验证

根据上述局部水头损失初定范围，将ζ0取值0.004并计入小洼槽倒虹吸水头损失计算中，计算结果参见表4。表中H1为水头损失计算值(包含承插口局部水头损失)，H为水头损失实测值，S为计算值与实测数据误差百分比；为了更好比较分析水力计算结果和实测数据，作图3、图4。图中H、H1表示意义与表4中一致，H2为水头损失计算值(未包含承插口局部水头损失)。

表4　小洼槽倒虹吸管水力计算表(多组流量工况)

注：① 表中S=(H1-H)/H×100%。② 表中参数代表全段倒虹吸管道信息，应与表3中参数有所区别。

图3　小洼槽倒虹吸水力计算值和实测值比较分析

图4小洼槽倒虹吸水力计算值和实测值误差分析

图3中，不同流量工况对应的计算值H1、H2与实测值H均呈线性分布趋势，数据本身无较大问题；计算值H1与实测值H基本吻合，但计算值H1、H2两者之间相差0.20 m～0.50 m左右。图4中进一步证实了这种差距，计算结果H2同实测值之间误差基本保持10%，部分工况误差高达12%；而计算值H1和实测值H控制在±3%以内，这说明承插口局部水头损失系数ζ0的取值范围0.0035～0.005符合小洼槽倒虹吸水力计算要求。同时也可以发现承插口局部水头损失的忽略对水头损失计算的准确性存在一定影响。最终确定单个接头局部水头损失系数为0.0035～0.005。

4　结　语

由于小洼槽倒虹吸距离长、承插口接头多，使得承插口局部水头损失问题凸显。最终得到大口径玻璃钢管承插式接头局部水头损失系数ζ0在不同流量下取值范围为0.0035～0.005。承插口造成的总局部水头损失相对不大，但也不能忽略。尤其是大口径超长距离玻璃管输水管道工程更应关注此类局部水头损失。

[1]常胜，牧振伟，万连宾.大口径有压玻璃钢管水力计算公式分析[J].水电能源科学，2014，32(10)：159-161.

[2]李炜.水力计算手册(第2版)[M].北京：中国水利水电出版社，2007：10.

[3]谭兴华，陈全会，高永传.南水北调倒虹弯管局部阻力设计方法研究[J].灌溉排水学报，2000，19(4)：53-55，74.

[4]石泉，张立德，李红伟.大型倒虹吸工程设计与施工[M].北京：中国水利水电出版社，2007：19.

[5]蒲振旗，徐元禄，周骞.玻璃钢管道糙率值实证分析[J].水利建设与管理，2011，31(11)：77-81.

[6]李栋浩，王文娥，葛茂生，等.突然缩小圆管局部水头损失系数试验研究[J].水利与建筑工程学报，2011，9(4)：22-24.

[7]上育平，寇君淑，房海勃，等.海底承插式玻璃钢管道安装施工工艺研究[J].水利与建筑工程学报，2014，12(6)：129-132.

[8]司徒菲，陈才高，李金印，等.长距离大口径输水管线摩阻系数及局部水头损失系数研究[J].给水排水，2011，37(8)：108-111.

Local Resistance Coefficient Value of Large-diameter FRP Pipe’s Spigot-and-socket Joint

CHANG Sheng1,2, MU Zhenwei2, WAN Lianbin3

(1.XinjiangSurveyandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropower,Urumqi,Xinjiang830000,China; 2.CollegeofWaterConservancyandCivilEngineering,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumqi,Xinjiang830052,China; 3.XinjiangIrtyshRiverBasinDevelopmentProjectConstructionandManagementBureau,Urumqi,Xinjiang830000,China)

The determination of local resistance coefficient value of large-diameter FRP pipe’s spigot-and-socket joint is an important issue, taking Xiaowacao invert siphon pipe as an example, based on the engineering practice, reasonable observation sections were selected. According to the observed data of many years and the principle of Bernoulli equation, this paper calculated the result that local head loss coefficient of spigot-and-socket joint. An comparative analysis of the measurement data and hydraulic calculation results, which belong to the whole segment inverted siphon (including that part all spigot-and-socket joints cause), are used to verify the accuracy of the coefficient range value. It is suggested that the local resistance coefficient value range of large-diameter pipe’s spigot-and-socket joint is 0.0035～0.005.

large-diameter pipe; FRP pipe; spigot-and-socket joint; local resistance coefficient; head loss

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.018

2016-03-11

2016-04-07

新疆高等学校科研计划重点项目资助(XJEDU2011I19)；新疆维吾尔自治区自然科学基金资助项目(2012211A059)

常胜(1990—)，男，河南南阳人，助理工程师，主要从事水利工程设计工作。E-mail:xjchangs@163.com。

牧振伟(1973—)，男(回族)，河南南阳人，教授，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:xjmzw@163.com。

TV131.2+2

A

1672—1144(2016)04—0089—04