贵州山区长距离输水管道局部水头损失计算分析

（贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002）

近年来，贵州省因地制宜，全面推进各地区水利事业建设，2017年近百座中小型水库前期设计获得批复，全省新开工骨干水源工程60余座，水利事业蓬勃发展。由于区域地形地貌等自然条件因素，输水建筑物主要以管道为主，因此管道水力计算成果的准确性对输水能力和工程效益的发挥十分重要。在工程前期阶段设计工作中，计算输水管道水力时，借鉴相关规范和文献，局部水头损失按沿程水头损失的5%～10%考虑［1-6］；但在工程实践中，受区域地形地貌等影响，按该比例估算的局部水头损失往往不能满足实施阶段建筑物布置要求。因此，本文对已建、在建水库前期设计阶段与实施阶段输水管道工程水力计算成果进行对比分析，得出局部水头损失与沿程水头损失相对关系，以供拟建项目前期设计阶段管道水力计算参考。

1 管径、流速选择

一般输水管道管径初步按经济流速确定，结合管材选择、水力计算成果和建筑物布置等要求最终确定。现行相关规范和有关文献中列述，压力输水管道设计流速不宜小于0.6 m/s，且不宜大于3 m/s［1］，实际工作中通常按1.2～2.5 m/s初步确定管径［4］。

管径的选择直接影响建筑物布置和工程投资，按经验经济流速确定的管径对某些工程并不一定经济；特别是对于山区水利工程，由于自然条件的限制，输水线路的布置空间有限，输水压力水头较为宝贵。因此，通常选择较大管径低流速输水。通过对贵州地区部分已建、在建大中型水库工程输水管道流速进行统计后发现，设计流速一般为1.0～2.0 m/s，大部分流速在1.5 m/s左右。工程应用中，管径选择可在经验流速附近进行试算，结合其他影响因素综合确定［7-8］。

2 管道局部水头损失分析

2.1 计算原则

管道局部水头损失影响因素较多，为了使分析成果具有可参考性，需要对输水管道进行水力计算和定性定量分析，主要依据原则如下。

（1）选择贵州地区具有代表性的大中型已建、在建水利工程，选择长距离供水管道作为研究对象。

（2）为了便于计算分析，仅考虑管身段水力因素，不包括进出口段水力影响。

（3）管材、管径D由各种影响因素综合确定，不对各工程输水管道管材、管径选择做详细分析，管材主要包括玻璃钢夹砂管、球墨铸铁管和钢管，糙率分别为0.009，0.013和0.013。

（4）管道转弯半径R。①玻璃钢夹砂管：DN＜1 200，R取值1.5D；DN≥1 200，R取值1.0D；②球墨铸铁管：DN≤1 400，R取值1.0D；DN＞1 400，R取值0.8D；钢管：R取值3.0D。

（5）管道水力计算中，过水断面糙率一致，因其他原因引起的糙率变化忽略不计。

（6）分析管段不含支管，管材统一，流量损失忽略不计。

（7）由于水利工程建设前期设计阶段对相关设计工作精度要求不同，管道水力计算分析中局部水头损失通常按沿程水头损失的10%考虑。

（8）实施阶段充分考虑输水管道布置引起的局部水头损失变化，分析管段转弯位置均为圆弧弯头。

（9）按恒定均匀流进行管道水力计算分析。

2.2 计算理论与方法

输水管道水力计算内容主要包括沿程水头损失和局部水头损失，其中沿程水头损失按达西-魏斯巴哈公式和曼宁公式计算［1-4］。

达西-魏斯巴哈公式为

式中，hf为管道沿程水头损失，m；L为管道长度，m；d为管道内径，m；v为管道过水断面的平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；λ为沿程水头损失，λ=8 g/C2。

曼宁公式为

式中，R为水力半径，m；n为糙率。局部水头损失计算公式为

式中，ζ为局部水头损失系数，其数值主要受水流局部变化、边界几何形状、尺寸等影响。

2.3 计算结果分析

根据工程分布，选择具有区域代表性的大中型水库工程中输水管道水力计算成果进行汇总分析，见表1。该研究仅选择了人畜饮水或工业用水输水管道，管径相对较小，个别工程由于处于山区，管道布置线路较长，虽然管径较大但也纳入了分析范围。

通过对结果进行初步分析，在同等条件下，由于转弯半径的不同，各管材对应的局部水头损失所占沿程水头损失比例不相同。同时，受地形条件、输水管道布置影响，相同管材在同等规格和流速相当的情况下，局部水头损失所占沿程水头损失比例差异较大，特别是大口径输水管道，该比例甚至达到60%左右。3种管材中，由于钢管转弯半径相对较大，在地形条件较好、非连续起伏波浪布置、管道流速不大时，前期设计水力计算中局部水头损失可以按沿程水头损失的10%初步估算，其余两种管材输水管道局部水头损失占沿程水头损的10%～20%，输水流速在1.0～1.7 m/s之间。

通过对相关数据进行离散分析（见图1～2），当输水管径在0.5～1.6 m、流速分布在0.8～1.6 m/s之间时，输水管道局部水头损失占沿程水头比例约为3%～20%；受地形条件、结构构造等影响，该比例可能较大，本次样本分析中最高可达沿程水头损失的75%。

图1 管径-局部水头损失占沿程水头损失比例离散图

3 管道布置对局部水头损失计算的影响

贵州省以山地、丘陵为主，平原较少，可用于农业开发的土地资源有限，人均耕地面积不到500 m2（0.05 hm2），村寨主要分布在地势平坦、条件相对较好的区域。为避免工程建设和运行管理对附近居民生活生产造成较大影响，主要输水管道布置一般远离村寨，加之山丘峰峦叠嶂，布置剖面连续起伏，造成管道安装转弯点较多。在平原地区或地形条件较好的情况下根据沿程水头损失估算局部水头损失，但估算结果往往与实际情况相差较大。除了管道自身结构要求外，管道布置直接影响了局部水头损失计算。

图2 流速-局部水头损失占沿程水头损失比例离散图

工程前期设计阶段，特别是管道选线，当输水压力水头控制较为严格时，应充分结合效益区和辐射区地形、地貌、地质条件，尽量选择地势平坦区域布置线路，减少局部水头损失。受自然条件、社会等客观因素影响，当管线布置区域条件较差，沿线地形较陡、地势起伏较大时，局部水头损失估算应考虑采用所占沿程水头损失比例较大值或根据实际布置计算。

表1 输水管道水力计算成果汇总

4 局部水头损失对工程建设的影响

在工程前期设计工作中，特别是管道前后连接其他建筑物时，局部水头损失计算是否准确，对实施阶段各输水建筑物建设影响较大，尤其是长距离输水管道，情况严重时直接影响其他建筑物型式的调整，增加工程建设投资成本。

若前期输水管道水力计算局部水头损失考虑过于保守，则会引起后续建筑物布置高程降低、压力水头浪费较多、供水范围缩小，影响工程效益的发挥；同时可能影响工程建设经济指标，造成水资源不能合理开发利用。因此，在满足工作要求的情况下，如何较为准确合理地计算输水管道局部水头损失至关重要，在一定程度上将影响工程正常建设和功能效益发挥。

5 结论

山区长距离输水管道的局部水头损失是管线设计中最基本，也是最重要的计算参数之一，本文结合实际工程进行对比分析，得出以下几点结论。

（1）山区长距离输水管道设计中，当管径为0.5～1.6 m、流速为0.8～1.6 m/s时，局部水头损失占沿程水头比例为3%～20%；地形条件复杂的区域，甚至可达到60%左右。局部水头损失较大的主要原因是山区长距离输水线路起伏较大且分布较多，造成管道转弯点多，加大局部水头损失。

（2）山区长距离输水管道前期设计时，局部水头损失若仍按沿程水头损失的5%～10%考虑，后期施工图设计时容易出现不能满足建筑物布置要求等问题，因此应结合地形图资料精度、管材、管径、流速、管道布置等进行综合考虑分析，使局部水头损失计算科学合理，避免后期由于局部水头损失引起较大的设计变更。

（3）由于本文分析对象样本容量有限，其分析成果具有一定区域性和局限性，还需要进行更为详细、深入的进一步研究。