徐言志

（貴州新中水工程有限公司，貴陽550001）

貴州境內(nèi)高原山地居多，輸水建筑物受地形地貌條件限制主要采用管道為主，且管線走向蜿蜒曲折，起伏較大，管線水力計算是否準確可靠對工程輸水能力確定、工程效益發(fā)揮和運行安全均十分重要［1］。管道水頭損失是前期勘察設計管網(wǎng)分析的關鍵內(nèi)容，包括沿程水頭損失和局部水頭損失。其中，沿程水頭損失是克服管線摩擦阻力而損失的水頭，其計算理論推導和方法已較為成熟，計算成果也較準確可靠。而局部水頭損失，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及相關文獻，通常按沿程水頭損失的5%～10%進行估算［2］。但從工程實際測試數(shù)據(jù)表明，受貴州山區(qū)特殊地形地貌條件影響，按比例進行局部水頭損失估算，與工程實際匹配性較差，依此進行建筑物布置和結(jié)構設計往往不能滿足工程實際應用需求。為準確計算管道水頭損失，合理確定管網(wǎng)管道直徑、壁厚、提水揚程等特征參數(shù)，以甕安塘坎上水庫輸水管線為例，采用兩種方法對輸水管網(wǎng)總干管局部水頭損失進行計算，并結(jié)合其他工程水力計算成果進行論證分析，優(yōu)選與貴州山區(qū)特殊地形地貌相匹配的局部水頭損失計算方法，為長距離輸水管網(wǎng)工程順利施工建設和功能效益發(fā)揮提供重要技術保障。

1 工程概況

塘坎上水庫位于甕安河干流中下游河段，為Ⅲ等中型水庫。工程任務為工業(yè)供水及灌溉供水，其中：灌溉受水區(qū)主要分布在壩址下游左岸，為金鐘村、麻池村、官塘村、磨坪村、尖坡村，分布高程為770.00～855.00m?？偢晒艿钠瘘c為灌溉供水出水池，正常水位875.00mm，終點為增武山高位水池。灌溉供水管總干管布置為灌溉供水出水池→馬渡河→春菜塆→朝兜→金鐘→朱家灣→反水→亭子坑→石觀音→麻池→龍井灣→大窩氹→合家坳→桂林壩→磨坪壩→平莊→坪子→增武山。灌溉管線根據(jù)用水區(qū)位置，末端設高位水池。管道鋪設根據(jù)地質(zhì)情況分段采用埋管、隧洞過流方式，縱向線路大部沿公路外側(cè)布置，局部沿等高線布置。除樁號0+342.66～樁號0+707.18段為隧洞輸水外，其余均采用球墨鑄鐵管供水，管徑為DN1000～DN400不等。

2 管道局部水頭損失分析方法

貴州山區(qū)特殊地形地貌地區(qū)的復雜灌溉管網(wǎng)，其管道局部水頭損失影響因素較多，為使分析結(jié)果更貼切工程實際，探討采用兩種方法進行對比分析，即：第一種方法按現(xiàn)行規(guī)范經(jīng)驗比例取值，先計算沿程水頭損失，然后按沿程水頭損失值的5%～10%進行估算；第二種方法根據(jù)工程實際布置情況，結(jié)合局部損失特性，分段獨立計算后求和。

2.1 經(jīng)驗估算取值

根據(jù)SL687—2014《村鎮(zhèn)供水工程設計規(guī)范》，輸水管線沿程損失是克服管線摩擦阻力而損失的水頭，其計算公式為［3］：

式中 L為管段長度（m）；i為單位管長的水頭損失（m）；C為海曾威廉系數(shù)，其中塑料管取140～150，鋼管等金屬管和混凝土管取120～130；Q為管段流量（m3/s）；d為管段管道內(nèi)徑（m）。

局部水頭損失按照沿程水頭損失的5%～10%進行估算［4-5］，塘坎上水庫按10%取值。

2.2 逐段計算求和

輸水管線沿程水頭損失采用式（1）計算，局部水頭損失hj則根據(jù)SL482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》［6］中公式進行計算，即：

式中 v為管段流速（m/s）；φ，φi為管道出口及發(fā)生局部阻力損失部位的斷面面積（m2）；ξi為發(fā)生局部損失斷面處的水頭損失系數(shù)。

塘坎上水庫輸水管道水頭損失按照相同管徑分段進行計算，因此管道出口斷面面積和局部阻力損失處的相應斷面面積一致。另輸水管線較長，管徑變化位置也較少，式（2）中只考慮彎管的局部損失系數(shù)。輸水管道的彎道水頭損失系數(shù)ξi與拐角θ，拐彎半徑R及管道內(nèi)徑d有關，根據(jù)SL482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》［6］可查出對應值，并按式（2）可計算出局部水頭損失。

3 管道水頭損失計算成果分析

根據(jù)SL687—2014《村鎮(zhèn)供水工程設計規(guī)范》和SL482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》要求，結(jié)合塘坎上水庫輸水管網(wǎng)特性，按上述兩種方法計算得輸水管線分段管道局部水頭損失分析成果，如表1。

表1 分段管道局部水頭損失分析成果

續(xù)表1

從表1分析可知：等長度轉(zhuǎn)彎角較多，轉(zhuǎn)彎角度越大的情況下，局部水頭損失越大。樁號5+253.00～5+660.00段，管線單位長度管道轉(zhuǎn)彎角度最少，且角度不大，此段計算出的局部水頭損失為沿程水頭損失的5.46%；樁號0+000.00～0+342.66段，管線單位長度管道轉(zhuǎn)彎角度最多，且角度較大，此段計算出的局部水頭損失為沿程水頭損失的42.62%。塘坎上水庫輸水管道采用第2種方法計算出的總局部水頭損失為沿程水頭損失的13.79%，超過10%的經(jīng)驗值，不能滿足實施階段輸水建筑物布置要求。

4 典型工程論證分析

由于貴州山區(qū)輸水管道局部水頭損失影響因素較多，為使分析成果更具可參考性和應用推廣性，選擇具有區(qū)域代表性的典型水庫輸水管道，按第2種方法對管線的局部水頭損失進行計算和匯總分析，如表2。

表2 典型工程管道局部水頭損失分析成果

從表2可知：黎平縣長溪水庫南2支管局部水頭損失達到沿程水頭損失的23.46%，而威寧縣川洞海子水庫迤那輸水管局部水頭損失僅為沿程水頭損失的5.2%。結(jié)合工程具體布置可以得出：當工程輸水管線走向平緩順暢、無較大起伏，布置條件較好的管線其管道局部水頭損失偏小，采用5%～10%進行估算，其局部損失與工程實際較為匹配，能夠滿足實施階段輸水建筑物布置要求；而當管線布置剖面起伏范圍較大、安裝轉(zhuǎn)彎點較多且角度較大，布置條件較差的管線其局部水損較大，采用5%～10%估算的結(jié)果與實際相差較大，尤其是長距離大流量輸水管道，情況嚴重時會影響到工程正常建設和功能效益發(fā)揮，應按“逐段計算求和”法準確合理地計算輸水管道局部水頭損失。

5 結(jié)語

如何較為準確計算輸水管道的局部水頭損失，不僅是管網(wǎng)設計計算的主要內(nèi)容，同時也是保證工程順利建設和功能效益發(fā)揮的技術關鍵。結(jié)合實際工程計算成果論證分析，主要獲得以下結(jié)論，即：

（1）貴州地處高山丘陵地帶，輸水管線受地形條件限制，管線走向較為蜿蜒曲折，起伏較大，局部水頭損失受地形影響突出。

（2）當輸水管線局部段轉(zhuǎn)彎點較多且角度較大、管線布置剖面起伏范圍較大時，如局部損失仍根據(jù)SL687—2014《村鎮(zhèn)供水工程設計規(guī)范》要求，按沿程水損的5%～10%進行估算，則水力計算結(jié)果富裕水頭較小，容易出現(xiàn)后期施工圖設計不能滿足輸水建筑物布置要求、實際輸水流量小于設計流量或水流不能聯(lián)通等問題。

（3）對于地形條件簡單、管線走向平緩順暢、無較大起伏、布置條件較好的輸水管線工程，建議采用5%～10%經(jīng)驗值進行估算；而對于地形條件復雜、輸水線路起伏較大、拐彎點多且角度大的管線，建議按管線具體布置采用逐段計算求和，使局部水頭損失計算更科學合理、準確可靠，保證工程的輸水能力和功能效益發(fā)揮。