大管径压力管道输水工程水力计算分析

范勇锋

（新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐市 830000）

大管径压力管道输水工程水力计算分析

范勇锋

（新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐市 830000）

北疆某输水工程中的一段泵站扬水压力管线，其管径较大，线路较长。因泵站的扬程与管道水头损失密切相关，因此，文章重点分析了曼宁公式和达西公式两种不同的方法下的水头损失情况，最终确定出适合本工程的计算方法。

水头损失 曼宁公式 达西公式

1 工程概况

本工程为北疆地区长距离调水项目，其中扬水压力管道主要布置在泵站与隧洞之间，设计流量为13 m3/s，泵站设计扬程186 m。压力管道总长11.16 km，采用双根管布置，管径为DN2400 mm，最大工作压力1.98 MPa。前段高压管采用涂塑钢管，管线长7.34 km，后段低压管采用PCCP管，管线长3.82 km。

2 计算分析

采用通用达西公式和曼宁公式两种计算方法进行水力学计算。

2.1 达西公式

式中 hf——沿程水头损失（m）；

l——管道长度（m）；

d——管道计算内径（m）；

g——重力加速度（m/s2）；

1——管道长度（m）；

V——管内平均流速（m/s）；

△——管道当量粗糙度（mm）；

ν——水的运动粘滞系数，计算按取1.310× 10-6m2/s。

其中计算沿程阻力系数λ时，当量粗糙度△取值很关键，其取值介绍如下：

（1）高压段涂塑钢管。

① 《水力计算手册》中提到有关钢管当量粗糙度值见表1。

表1 钢道当量粗糙度取值表 mm

② 国外有关钢管粗糙度的数据见表2。

③ 论文《管道内壁粗糙度的确定》和《管道绝对当量粗糙度的取值及其影响分析》中分析建议设计中钢管粗糙度采用0.01 mm是比较可靠的值。

综上，本计算中，涂塑钢管粗糙度取0.01 mm。

表2 国外有关钢道粗糙度取值表 mm

（2）低压段PCCP管。

① 《水力计算手册》中提到“光滑的混凝土管”粗糙度值为（0.30～1.33）mm。

② 论文《南水北调中线PCCP管道的摩阻损失计算分析》。其中计算采用天津市水科所的试验结论：PCCP管当量粗糙度为0.128 mm。

本次计算参考其取值亦为0.128 mm。

采用达西公式计算结果见表3。

表3 水力学计算结果表（达西公式）

2.2 曼宁公式

该公式是由谢才公式推导而来，谢才系数C公式为：

曼宁公式计算中，糙率n的取值很重要，高压段和低压段管材糙率取值如下：

（1）高压段涂塑钢管。

由于工程实例中大口径涂塑钢管应用较少，根据管道生产厂家涂塑钢管产品经中国水科院试验测糙率值在（0.008 1～0.009 1）。

另外通过与达西公式比较，采用沿程阻力系数等效原则，换算得当量粗糙度取10 μm时相当于糙率值为0.010。

目前与本工程管径相当的涂塑钢管糙率数据很少，基于偏保守安全，计算中涂塑钢管糙率取值为0.010。

（2）低压段PCCP管。

① 根据《预应力钢筒混凝土管道技术规范）》SL 702-2015，规范中建议PCCP管道糙率取值为n= 0.010～0.0125。

② 我国已建PCCP管道工程的糙率值，见表4。

表4 我国已建PCCP管道工程的糙率统计表 mm

从以上表中数据可以看出，目前，PCCP糙率最小设计值（0.011～0.012 5）之间。

③ 新疆引额济乌一期一步工程中，3个泉倒虹吸工程中采用双根DN2800 PCCP管，长科院通过对历年工程运行资料分析，进行糙率反演计算，得到PCCP管材糙率为（0.010 0～0.013 0），平均可取为0.011 5。

综上所述，在进行水力设计时，基于保守安全计算，PCCP管的糙率取n=0.012。

采用曼宁公式计算结果见表5。

3 结 论

通过以上计算可以看出，两种方法计算的水损值相差 0.6%，几乎相同。因此对于本工程压力管道水力学两种方法都合适。本工程最终计算采用使用范围更广，考虑了流速及运动黏度的达西公式。

表5 水力学计算结果表（曼宁公式）

[1]清华大学.水力学（上册）[M].北京：高等教育出版社，1995.

[2]刘进，王东黎，杨进新.南水北调中线PCCP管道的摩阻损失计算分析[J].南水北调与水利科技，2008，（01）：231-234.

[3]王雪原，黄慎勇，付忠志.长输管道水力计算公式选用注意的问题[J].西南给排水，2006，（02）：16-19.

[4]夏星星，冯良.管道绝对当量粗糙度的取值及其影响分析[J].上海煤气，2010，（02）：10-12、17.

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2017-01-26）

范勇锋（1984-），男，陕西渭南人，工程师，主要从事水利工程设计工作。