朱敏榮

1 工程概況

萬(wàn)家寨引黃工程是位于山西省西北部的大型引水工程，由萬(wàn)家寨水庫(kù)、總干、北干、南干和聯(lián)接段組成，擔(dān)任著向太原、大同和平朔三個(gè)城市的供水任務(wù)。聯(lián)接段是引黃工程的重要組成部分，上起南干7號(hào)隧洞出口，下接太原市呼延水廠，線路全長(zhǎng)139.35km。汾河水庫(kù)以上81.2km采用天然河道輸水，輸水流量25.8m3/s，每年輸水10個(gè)月，汾河水庫(kù)以下58.15km采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）輸水，設(shè)計(jì)流量20.5m3/s，全年不間斷輸水，每年可向太原市供水6.4 億 m3。

輸水管線從汾河水庫(kù)進(jìn)水塔后的取水隧洞出口起至太原市呼延水廠為一條預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，沿線穿過(guò)1號(hào)至7號(hào)7條隧洞，總長(zhǎng)21.2km。全部采用洞穿PCCP。穿越汾河主河道11次，總長(zhǎng)2.25km。沿線設(shè)置的主要建筑物有3座流量調(diào)節(jié)閥室，10座檢修閥室，68個(gè)排氣閥井，37個(gè)檢查井，41個(gè)排水閥井。

2 管徑選擇的重要性

輸水工程中，輸水管道管徑從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮來(lái)選擇。在確定輸水流量和糙率的基礎(chǔ)上，管徑選擇受取水口水位、地形條件制約，同時(shí)流速大小也是控制管徑大小的重要因素。在滿足輸水能力和沿線測(cè)壓管水頭為正壓的情況下，若不考慮管道的允許流速，一味追求減小管徑，雖然可降低工程造價(jià)，但若流速超過(guò)允許流速，過(guò)大的流速將直接影響管道的使用壽命，增加運(yùn)行管理的維修工作，難以保證正常供水要求。在滿足輸水流量、沿線測(cè)壓管水頭為正值和管道允許流速的情況下，管徑選的過(guò)大會(huì)直接增加工程造價(jià)，給工程造成不必要的浪費(fèi)，所以管徑選擇應(yīng)從過(guò)流能力、管道流速、保證管道有壓輸水、工程布置等方面綜合考慮，對(duì)不同管徑進(jìn)行水力學(xué)計(jì)算，選擇技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的管徑，對(duì)整個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)合理性具有重要意義。

3 不同管徑輸水能力計(jì)算

3.1 計(jì)算條件及依據(jù)

3.1.1 取水水位

輸水線路從汾河水庫(kù)取水至太原市呼延水廠，全長(zhǎng)58.15km，沿線設(shè)3個(gè)流量調(diào)節(jié)閥室，將線路分成3個(gè)區(qū)間，各區(qū)間對(duì)應(yīng)樁號(hào)及取水水位見表1。

表1 區(qū)間樁號(hào)及水位要素表

3.1.2 設(shè)計(jì)流量及糙率

設(shè)計(jì)流量為20.5m3/s。通過(guò)調(diào)研并對(duì)廠家提供的試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，同時(shí)與國(guó)內(nèi)外同類工程相比，考慮到該工程輸水線路長(zhǎng)、流量大等特點(diǎn)，常規(guī)鋼筋混凝土糙率取 0.014～0.016，PCCP管糙率選取 0.012～0.0125。

3.1.3 管徑選擇

該工程管徑選擇的原則：一是滿足設(shè)計(jì)流量為20.5m3/s的過(guò)流要求，經(jīng)常運(yùn)行流速v不能超過(guò)3m/s。二是沿線保證輸水管頂以上的測(cè)壓管水頭不小于2m。按照以上原則，結(jié)合實(shí)地地形、地面坡度和線路布置情況，全線對(duì)管徑3.0m，2.8m，2.6m分別進(jìn)行計(jì)算，選定經(jīng)濟(jì)合理的管徑。

3.2 計(jì)算公式及結(jié)果

過(guò)流能力的計(jì)算公式為Q=μcω，

式中：Q——流量，m3/s；

μc——管道流量系數(shù)；

ω——管道斷面積，m2；

H——不包括行近流速水頭的作用水頭，m。

D=3.0m，D=2.8m，D=2.6m的管道過(guò)流能力計(jì)算分別見表2、表3和表4。

表2 D=3.0m時(shí)過(guò)流能力計(jì)算結(jié)果表

表3 D=2.8m時(shí)過(guò)流能力計(jì)算結(jié)果表

表4 D=2.6m時(shí)過(guò)流能力計(jì)算結(jié)果表

從以上對(duì)三種管徑的管道過(guò)流能力計(jì)算可以看出，D=2.6m的管道不滿足20.5m3/s的過(guò)流能力，故以下測(cè)壓管水頭計(jì)算中只考慮D=3.0m和D=2.8m兩種管徑。

4 不同管徑沿線測(cè)壓管水頭計(jì)算

4.1 水頭損失計(jì)算

4.1.1 計(jì)算公式

沿程水頭損失計(jì)算公式：

式中：hf——沿程水頭損失，m；

R——水力半徑，m；

局部水頭損失計(jì)算包括彎管、檢查井、開孔管、檢修閥閥體、漸擴(kuò)管、漸縮管、區(qū)間進(jìn)口等的損失，計(jì)算公式為：hj=ξ，其中hj為局部水頭損失，ξ為局部損

可推出失系數(shù)，其取值查表可得。

4.1.2 計(jì)算結(jié)果

水流通過(guò)D=3.0m和D=2.8m管道時(shí)的水頭損失計(jì)算結(jié)果見表5、表6。

表5 D=3.0m時(shí)分段水頭損失計(jì)算結(jié)果表

表6 D=2.8m時(shí)分段水頭損失計(jì)算結(jié)果表

4.2 壓坡線繪制

4.2.1 計(jì)算公式

壓坡線繪制是對(duì)3個(gè)輸水區(qū)間逐項(xiàng)計(jì)算沿程局部水頭損失，由上游至下游在縱斷圖上逐段繪制出壓坡線。計(jì)算公式為：，其中H測(cè)為區(qū)間任意處測(cè)壓管水位；H取為區(qū)間首端取水水位；其他同上。

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)D=3.0m時(shí)繪制的壓坡線可知（圖略），第一輸水區(qū)間自汾河水庫(kù)取水，起始?jí)毫Υ?，區(qū)間內(nèi)地形起伏較小，最小壓力發(fā)生在區(qū)間末9+830處，該處測(cè)壓管水頭最小為1094.311m，管頂高程1055.865m，管頂以上水頭38.446m。第二輸水區(qū)間進(jìn)口9+915.2處，測(cè)壓管水頭最小為1052.65m，管頂高程1048.565m，管頂以上水頭4.085m。第三輸水區(qū)間首段31+255.2～31+503.0，管頂以上水頭較小，在31+255.2處，測(cè)壓管水頭972.25m，管頂高程968.165m，管頂以上水頭4.085m。區(qū)間內(nèi)壓力最小段在53+700～56+665段，樁號(hào)56+665處，測(cè)壓管水頭最小為919.74m，管頂高程為916.875m，管頂以上水頭2.865m是本區(qū)間壓力最小處。整個(gè)線路滿足有壓流。

D=3.0m時(shí)的各水力要素見表7。

表7 D=3.0m時(shí)水力要素表

根據(jù)D=2.8m時(shí)繪制的壓坡線可知（圖略），第一輸水區(qū)間管頂以上水頭均較大，滿足有壓流條件。第二輸水區(qū)間在21+136.73～21+370.60段管頂水頭均小于2m，其中最小壓力低于管頂。該區(qū)間除本段不滿足有壓流要求外，其余各段均能滿足要求。第三輸水區(qū)間在31+255.2～32+503.0段，管頂以上測(cè)壓管水頭較小，在36+160.09～36+642.9段管頂高程以上測(cè)壓管水頭在0～0.523m之間，不滿足有壓流條件。38+185.0～38+600.0段，由于3號(hào)洞高程抬高，使該段管頂以上壓力小于2m，7號(hào)洞在樁號(hào)46+656開始管頂以上的壓力小于2m，至線路尾部57+276.2處測(cè)壓管水頭低于管頂24.596m，總長(zhǎng)10.62km，不滿足有壓輸水的要求。

D=2.8m時(shí)的各水力要素見表8。

表8 D=2.8m時(shí)水力要素表

5 管徑選擇

以上從管線的過(guò)流能力、壓坡線、管道流速對(duì)三種管徑分區(qū)間進(jìn)行了水力計(jì)算，其計(jì)算比較如下：

5.1 過(guò)流能力比較

過(guò)流能力計(jì)算是按各區(qū)間的進(jìn)出口水位分區(qū)間進(jìn)行計(jì)算，不考慮沿線地形起伏變化。2.6m管徑只有第一區(qū)間能滿足過(guò)流要求，第二、三區(qū)間不能滿足要求。2.8m和3.0m管徑均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 壓坡線比較

根據(jù)各自的壓坡線可以看出（圖略），2.8m管徑在第一輸水區(qū)間管頂以上測(cè)壓管水頭均大于2m，第二區(qū)間在21+136.73～21+370.6段管頂以上測(cè)壓管水頭小于2m，第三區(qū)間共有4段管頂以上測(cè)壓管水頭小于2m；3.0m管徑三個(gè)輸水區(qū)間管頂以上測(cè)壓管水頭均大于2m，能滿足有壓流要求。

5.3 流速比較

管線通過(guò)設(shè)計(jì)流量20.5m3/s時(shí)，3.0m管徑的流速為2.9m/s滿足運(yùn)行流速要求；2.8m管徑的流速為3.329m/s，不能滿足管道經(jīng)常運(yùn)行流速一般不超過(guò)3m的要求。

從計(jì)算比較結(jié)果同所調(diào)查的國(guó)內(nèi)外已有工程相比，2.8m管徑由于流速太大部分管段出現(xiàn)負(fù)壓，3.0m管徑全管線均能滿足有壓要求，且流速較小。所以本工程的輸水管徑確定為3.0m。

6 結(jié)語(yǔ)

管道允許流速的選擇值是管徑研究中的一個(gè)重要問(wèn)題，為保證輸水管道的使用壽命，管道流速通?？刂圃?.5～3m/s。設(shè)計(jì)中，考慮到輸水管線從汾河水庫(kù)取水時(shí)可能會(huì)挾帶有粉土質(zhì)泥沙，如果其流速超過(guò)3m/s，會(huì)沖刷管道，影響管道壽命；同時(shí)考慮到我國(guó)的實(shí)際情況，選用流速為2.9m/s的可接受值進(jìn)行管徑研究是可行的。

長(zhǎng)距離輸水管線沿線地形起伏、高程變化大，在管徑研究中，除滿足過(guò)流能力要求外，還必須重視壓坡線的比較，以確定整個(gè)輸水線路為有壓狀態(tài)。