椒花水库供水管线水力计算

沈 斯

（长沙市水利水电勘测设计院，湖南 长沙 410008）

1 工程概况

椒花水库工程位于湖南省浏阳市和长沙县，主要包括水库枢纽工程、大溪河引水工程、供水工程三部分，水库总库容17 014 万m3，水库坝址距达浒镇5 km，距浏阳市40 km，坝址控制流域面积132.5 km2。是一座以城镇生活和工业供水、防洪为主，兼顾灌溉、发电和下游生态环境补水等综合利用的大（Ⅱ）型水库。水库枢纽坝址位于浏阳河上游大溪河流域左岸一级支流椒花河下游。

椒花水库正常水位为180.0 m，死水位为134.0 m，发电站尾水水位133.0 m，受水点浏阳市主城区规划四水厂、金阳新区规划北园水厂和长沙县城区规划星沙二水厂要求送达的水位分别为107 m、85 m、50 m，水库至3 处供水受水点的直线距离分别为45 km、57 km 和85 km。

2 供水工程线路布置方案

供水工程通过无压隧洞、有压隧洞和埋管重力自流输水。供水管线沿途设置浏阳主城区、金阳新区和长沙县分水口，分别为浏阳主城区、金阳新区和长沙县供水。

供水线路分为供水主线及支线：供水主线为椒花水库至长沙县星沙二水厂，从电站尾水池接出后，整体向西南方向布设，在蕉溪岭隧洞内设浏阳主城区分水口，出隧洞后向西至北盛镇北侧设金阳新区分水口，后继续向西至星沙二水厂。供水支线分别为浏阳支线（浏阳主城区分水口至浏阳市主城区规划四水厂）及金阳支线（金阳新区分水口至北园水厂）。供水主线及支线水平投影总长103 024.6 m。其中：主线水平投影总长95 932.6 m，支线水平投影总长7 092 m。

供水工程主线分为上游段、蕉溪岭隧洞段、下游段共三段。

上游段为发电站尾水池～浏阳主城区分水口，总长35 659.6 m，共有5 处隧洞，5 段埋管，1 处箱涵（97.2 m）。隧洞总长7 271.0 m，压力埋管总长28 291.4 m。上游段基本为有压供水，仅在线路进口处有97.2 m 无压箱涵。无压箱涵采用调节池与下游有压隧洞相接，其余有压隧洞与埋管均采用压力箱相接。

蕉溪岭隧洞段为浏阳主城区分水口～蕉溪岭隧洞出口，总长14 161.2 m，其中洞身段长14 105.0 m，浏阳分水口以上隧洞断面尺寸为2.4 m×2.8 m（B×H），长度为4 847.6 m，浏阳分水口以下隧洞断面尺寸为2.2 m×2.8 m（B×H），长度为9 257.4 m。蕉溪岭隧洞段为无压供水段，进出口均采用调节池与有压管道相接。

下游段为蕉溪岭隧洞出口～星沙二水厂，总长46 111.8 m，共有1 处隧洞，2 段压力埋管，隧洞长2 731.2 m，压力埋管总长43 380.6 m。隧洞为有压供水，有压隧洞与埋管采用压力箱相接。

浏阳支线长度为6 482 m，其中1 处隧洞，1 处箱涵，1 段压力管道，隧洞洞身长4 817.0 m，为无压隧洞，隧洞出口为无压箱涵，长43.0 m，箱涵下游接有压埋管，长1 622 m。无压箱涵与有压管道采用调节池相接。

金阳支线长度为610 m，为压力埋管。

供水管线共设66 座排水阀井、139 座空气阀井、30 座检修阀井。

3 供水线路水头要求

本工程供水方式为以有压为主的重力供水，各段要求的水头特点如下：

1）星沙二水厂：供水管道进水口水位为133.0 m，受水点要求水位为50.0 m，总水头为83.0 m，管线长度约为96.0 km，分配平均水头为0.86 m/km；

2）北园水厂：供水管道进水口水位为133.0 m，受水点要求水位为85.0 m，总水头为48.0 m，管线长度约为63.6 km，分配平均水头为0.75 m/km；

3）浏阳四水厂：供水管道进水口水位为133.0 m，受水点要求水位为107.0 m，总水头为26.0 m，管线长度约为47.0 km，分配平均水头为0.55 m/km。

从上面可以看出，各受水点控制性水头高程为浏阳四水厂。

4 供水管线恒定流水力计算

4.1 特征流量

供水线路各段特征流量见表1。

表1 供水线路各段设计流量表 m3/s

4.2 糙率确定

糙率的取值不仅要考虑运行初期满足过流要求，还要考虑长期运行后管道糙率的变化。设计糙率取值过大，长期运行的实际糙率小于此值，会造成浪费，不能充分发挥投资效益；反之取值过小，会导致过流能力不足。因此，糙率选取应综合考虑管材及制作工艺、供水水质对糙率的影响等因素，选取能包络各种运行工况的范围值。当验算过流能力及计算最低压坡线时宜采用大值，当计算最高压坡线时宜采用小值。使供水管道既能在长期运行时保证达到设计流量，又能安全运行。

根据《水力计算手册》和相关工程经验，糙率取值见表2。

表2 各工况下糙率系数的取值表

4.3 重力流有压管线水头损失计算

对于重力供水管线，进水口与受水点水位差值应等于管路阻力损失，即：

∑H=L×i

式中 ∑H——管线沿程损失和局部损失之和；

L——管线长度；

i——单位管线长度的水力坡降。

1）沿程水头损失采用谢才公式：

谢才系数：

式中 Hi——沿程水头损失（m）；

L——管道长度（m）；

n——粗糙系数；

R——水力半径（m）；

Q——设计流量（m3/s）；

V——平均流速（m/s）。

2）局部水头损失计算：

式中 v——管道水流平均流速（m/s）；

ξ——局部水头损失系数。

①弯管局部水头损失系数取值见表3。

表3 90°弯管局部水头损失系数表

任意角度的局部水头损失系数ξα°=aξ90°，任意角度弯管局部水头损失系数见表4。

②事故连通管三通取ξ=0.10。

③检修阀门取ξ=0.2。

表4 任意角度弯管局部水头损失系数表

每个空气阀、排水阀局部水头损失系数取0.1，每个检修阀局部水头损失系数取0.5，出口流入水池局部水头损失系数取1.0。

4.4 无压隧洞水力计算

主要综合考虑隧洞过水流量，水头损失并结合施工要求，通过试算确定断面尺寸及纵坡。见表5。

表5 无压隧洞水力计算表

4.5 供水线路断面尺寸及压坡线计算成果

根据各分水口之间的流量，管道长度，选定的管材管径及分段的水头损失，控制流速大致相同进行计算，见表6。

表6 供水管线水力计算表

5 结 论

供水线路的投资占整个工程投资比重较大（本项目供水工程投资占工程部分投资的57%，占工程总投资的28.3%），线路选择的优劣对工程项目的技术可行性和经济合理性影响较大。因此，线路的选择必须多方案比较，精心设计。

管道尽量走直线，以缩短管道长度，也应综合考虑选择糙率较小的管材，减小管线沿程水头损失；并尽量减少急剧转弯，以降低管线局部水头损失；同时应做好有压、无压供水部分的水头分配，减小供水线路管径及工程造价。经过恒定流水力计算，可以合理地确定供水线路布置的现状地面高程，既可以让管线的内水压力尽可能低，减少不必要的能源消耗；又避免了因压力水头不够而影响正常供水。

供水线路的恒定流水力计算为线路的布置提供了重要依据，是长距离输水管线布置非常关键的环节。