大型倒虹吸管道綜合糙率計算研究

路 強

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

設計與施工

大型倒虹吸管道綜合糙率計算研究

路 強

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

基于新疆北疆某供水工程倒虹吸2006～2013年實測數(shù)據(jù)，對該倒虹吸進出口水位進行管材糙率反演，用統(tǒng)計分析法并對結果進行加權平均后，最終得出該PCCP管道的綜合糙率值0.0115，鋼管道的綜合糙率值0.0105，該糙率值可為高壓力、大直徑玻璃鋼管道在大型倒虹吸工程的水力學計算中糙率的取值提供依據(jù)。

嚴寒地區(qū)；大型倒虹吸；PCCP管道；鋼管道；糙率

倒虹吸是一種應用廣泛的水利工程型式，國外應用的較早，如以色列的北水南調工程，埃及西水東調工程，美國科羅拉多引水工程等［1-3］。近幾十年來，我國相繼建設了一批 “百千米級”的大型倒虹吸工程，代表性工程有南水北調、掌鳩河引水、引黃入晉等工程［4-6］，倒虹吸逐步向高水頭、長距離和大管徑發(fā)展。隨著材料技術的發(fā)展，PCCP管、玻璃鋼管等新型管材逐漸運用于大管徑的輸水工程，在大型倒虹吸工程和城市供水工程中得到普遍應用。該工程倒虹吸采用PCCP+鋼管組合方案，在國內大型輸水工程中僅此一例。本文以已建成運行11年的倒虹吸為研究對象，通過2006～2013年實測數(shù)據(jù)對該倒虹吸進出口水位進行管材糙率反演，用統(tǒng)計分析法并對結果進行加權平均后最終得出該PCCP管道與鋼管的糙率值，該糙率值可為同類工程提供參考與借鑒。

1 工程概況

新疆北疆供水工程穿越準噶爾盆地、古爾班通古特沙漠，線路全長512km。其中該倒虹吸跨越沙漠北緣的吉拉溝大洼槽，溝寬12km，溝深160m，兩端高差28.6m。地層系第三系砂巖、泥巖和風積沙。倒虹吸由進口段、管身段、出口段、進口建筑物等組成（其中進口、出口及進口建筑物一次性建成），倒虹吸全長10.93km，其中管線長10.57km，設置兩根管道，兩端與引水明渠連接，最大靜水壓力1.6MPa，考慮到鋼管的造價較高，為節(jié)省工程投資，管道采用PCCP（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）與鋼管的組合方案，即1.4MPa以下采用PCCP管，管線長7.39km，內徑2.8m；1.4MPa以上采用鋼管，管線長3.18km，內徑2.7m。

工程于2005年建成通水，安全運行11年。根據(jù)供水需求的不斷增長，2015年開始實施擴建工程，在原預留進出口位置，再增設1條相同的管線，形成3根管道并行的工程布置格局，設計過水能力3×19m3/s。

2 工程特點

2.1 綜合難度大

按綜合難度系數(shù) （水頭×管徑值×管長：1.6MPa×2.8m×11km=49.28）查新統(tǒng)計，3個泉倒虹吸是迄今為止亞洲最大的倒虹吸工程［7］。超特長、高應力、大變形等工程特性，對倒虹吸管道的制作、安裝、埋設、運行管理提出了極高的要求，特別是管道伸縮節(jié)必須具有滿足軸向伸縮位移，又要滿足一定的撓曲度和偏位量。

2.2 流量變幅大

每年渠道恢復輸水前，需采用小流量1m3/s緩慢充水。輸水流量5～57m3/s。水頭高、流量變幅大、進出口水位落差大等水力學特性，對管道充水、運行、放空等各階段的水力安全控制技術要求高、難度大，需解決好高水頭下的消能放空和水錘防護問題［8］。

2.3 環(huán)境氣候條件惡劣

工程區(qū)地處北緯45°以上的嚴寒地區(qū)，具有冬季寒冷漫長，夏季炎熱干燥，春秋季寒潮頻襲，大風天氣多，冬季最低氣溫-41.7℃、夏季最高溫度40.6℃、晝夜溫差20℃、年際溫差高達82℃。晝夜溫差、陰陽面溫差和年際溫差大、干濕交替頻繁、凍融循環(huán)劇烈等不良氣候特征，對管道的應力應變調控提出了極高要求。特別是管基地質條件較差，大多為第三系的膨脹泥巖和風積沙，對管道的變形適應能力也提出了極高要求。

3 國內PCCP管及鋼管糙率值的選取

國內PCCP管起步晚，發(fā)展快，北京懷柔應急供水工程、北京張坊應急供水工程、呼和浩特市引黃供水工程在設計時PCCP管道糙率取值0.0125，哈爾濱磨盤山輸水工程管道PCCP糙率取值0.0115，深圳市供水網(wǎng)絡工程管道PCCP糙率取值0.0110，山西萬家寨引黃供水工程PCCP管道糙率取值0.012～0.0125［9］；鋼管在國內輸水管道應用較早，先明峽倒虹吸鋼管糙率取值0.012［10］，SGQ倒虹吸一期一步工程糙率取值0.012［11］。PCCP管道與鋼管道在實際水力學計算中糙率的取值對結果有很大影響，管道實際綜合糙率值是多少則需要用實踐來確定。

4 倒虹吸管道實際糙率反算

4.1 計算條件

該倒虹吸管道沿線內水壓力監(jiān)測：沿管線布設20個測點（AP1～AP20），其中奇數(shù)測點布置在左側管道上，偶數(shù)測點布置在右側管道上。樁號分別為：0+575，2+150，3+925，5+050，6+447，8+025，8+975，9+533，10+075，10+375。分別在進人孔管道擋板上開孔，安裝測壓計。

4.2 倒虹吸管道實測數(shù)據(jù)整理

以2011～2013年5～9月較為完整的倒虹吸管道運行時實測數(shù)據(jù)，對該倒虹吸實測數(shù)據(jù)進行整理，分別繪出不同年份左右側管道關閉和運行狀態(tài)下管線沿程總水頭線，如圖1～圖4。

圖1 左側管道全關時沿程總水頭線

圖2 右側管道全關時沿程總水頭線

圖3 左側管道運行時沿程總水頭線

圖4 右側管道運行時沿程總水頭線

由圖1～圖4可見，2011～2013年，雖然左右側管道工作閘門關閉和閘門開啟運行時沿程總水頭線均不符合理論規(guī)律，但不同時間實測的沿程各測點壓力波動分布規(guī)律基本一致，分析認為壓力傳感器測量系統(tǒng)在斷電重啟后讀數(shù)歸零引起的。

4.3 倒虹吸管道實測數(shù)據(jù)修正

針對不同年份不同管道，首先根據(jù)管道工作閘門關閉狀態(tài)下的實測數(shù)據(jù)，將倒虹吸進口前水位作為基準值，將管道內10個測點壓力分別加上一個修正值得到與進口前相同的總水頭，對得到的各測點修正值進行平均，得到了不同年份不同管道各測點的初始壓力修正值。利用各測點修正值對其相應年份的管道運行工況進行實測壓力值修正，便得到管道運行工況下實際的沿程總水頭線，如圖5～圖10。

圖5 2011年左側管道修正后沿程總水頭線

圖6 2011年右側管道修正后總水頭線

圖7 2012年左側管道修正后總水頭線

圖8 2012年右側管道修正后總水頭線

圖9 2013年左側管道修正后總水頭線

圖10 2013年右側管道修正后總水頭線

由修正后的沿程總水頭線可見，2011年份，左右側管道沿程總水頭線基本呈下降趨勢；2012年，右側管道沿程總水頭線也基本呈下降趨勢，而左側管道在9#測點以后，即在鋼管段后總水頭線分布雜亂無章；2013年未提供左側管道工作閘門全關時的實測數(shù)據(jù)，故采用2011年左側管道測點修正值，修正后沿程總水頭線也基本呈下降趨勢，右側管道在鋼管及其后管段部分實測數(shù)據(jù)本身就比較雜亂，故修正后的總水頭線分布在前半部分呈下降趨勢，后半部分仍雜亂。 由于該倒虹吸1#，2#，9#，10#，15#，16#測點為高精度脈沖壓力傳感器，即每根管道中有3個測點為高精度脈沖傳感器，由原始數(shù)據(jù)也可看出，該3點數(shù)據(jù)均優(yōu)于其他測點，因此，初始壓力修正后利用1#～9#，2#～10#4個測點分別反算左右管道PCCP段糙率，用9#～15#，10#～6#測點分別反算左右管道鋼管糙率。

4.4 倒虹吸管道水力學計算

該倒虹吸為有壓管道，可利用進出口水位進行管材糙率反算。如式（1）：

式中 Re為雷諾數(shù)；v為管道流速（m/s）；d為管道直徑（m），取3.1m；γ 為水流運動黏度（cm2/s），取0.0101 cm2/s。

式中 hf為管道的沿程損失（m）；λ為沿程損失系數(shù)；L為管長（m）；g為重力加速度（N/kg）；C為謝才系數(shù)；n為管道糙率；R為管道水力半徑。

由式（1）計算PCCP和鋼管內水流雷諾數(shù)，計算的每組工況下，管道內水流雷諾數(shù)均大于，由工程經(jīng)驗可判斷，管道內為紊流粗糙區(qū)，因此，可采用式（2）～式（4）進行糙率反算。

管線沿程設有諸多進人孔、T形盲孔及管道連接頭等，這些均可造成局部損失，該倒虹吸管道1#～9#，2#～10#測點間均設有13個進人孔及T形盲孔，9#～15#，10#～16#測點間也均設有13個進人孔及T形盲孔，計算時每個進人孔及T形盲孔局損系數(shù)均取0.01，至于管道連接頭，由于數(shù)目未知，將其并入沿程損失中考慮。反算結果如圖11～圖21，并分別將PCCP和鋼管糙率分布范圍繪成餅狀圖如圖22～圖23，統(tǒng)計2011～2013年兩種管材的糙率范圍如表1。

圖11 反算2011年左側管道糙率

圖12 反算2011年右側管道糙率

圖13 反算2011年左側管道糙率

圖14 反算2011年右側管道糙率

圖15 反算2012年左側管道糙率

圖16 反算2012年右側管道糙率

圖17 反算2012年左側管道糙率

圖18 反算2012年右側管道糙率

圖19 反算2013年左側管道糙率

圖20 反算2013年右側管道糙率

圖21 反算2013年左側管道鋼管糙率

表1 2011～2013年反算2種管材糙率值

圖22 PCCP管道糙率分布

圖23 鋼管糙率分布

由圖22～23可見，PCCP和鋼管某一糙率出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)的比例較為均勻。計算結果PCCP管材糙率0.0100～0.0130，平均可取0.0115；鋼管糙率0.0095～0.0115，平均可取0.0105。在復核泄流能力時，為使計算結果偏于安全，PCCP管材糙率取0.0125，鋼管糙率取0.0115。

5 結語

（1）2007～2011年實測數(shù)據(jù)較少，糙率散點分布集中性較差，2012年及2013年實測數(shù)據(jù)相對較多，糙率散點分布集中性也相對較好，其中2012年反算出的玻璃鋼糙率0.011～0.012，2013年反算出的糙率0.0106～0.011。綜合2007～2013年反算的管道某一糙率出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)的比例如圖16，0.0107～0.0112所占比例明顯大于其他糙率所占比例，因此，對其加權平均后該倒虹吸管的沿程綜合糙率可取0.0109。

（2）考慮該倒虹吸管材單一，選取管道全開運行時上下游水頭差進行管道沿程綜合糙率反算，反算時剔除進口、閘門槽、出口圓變方及出口處局部損失的影響，反算出玻璃鋼沿程綜合糙率（含管道接頭）0.0106～0.012，根據(jù)某一糙率出現(xiàn)次數(shù)占總次數(shù)比例，對所占比例較大的幾組糙率取加權平均值0.0109。

（3）對該大型倒虹吸管道（PCCP+鋼管組合）2007～2013年實測原始數(shù)據(jù)進行了修正。最終得出PCCP管道糙率平均取值0.0115（含管道接頭）、鋼管糙率平均取值0.0105（含管道接頭）。該糙率值可為高壓力、大直徑PCCP管及鋼管道在大型倒虹吸工程的水力學計算中糙率的取值提供依據(jù)。

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（責任編輯：王艷肖）

The research of synthesis roughness calculation about Large inverted siphon pipe

LU Qiang
（Xinjiang Scientific Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

This article is based on the measured data of a siphon water supply project from 2006 to 2013 in Northern Xinjiang， the water pipe roughness inversion of the import and export of inverted siphon with statistical analysis method，the results are weighted average.Finally concluded that the PCCP pipeline comprehensive roughness value of 0.0115，steel pipe composite roughness value was 0.0105.The roughness values could be provided basis for hydraulic calculation of roughness values of high pressure，large diameter FRP pipe in large inverted siphon project.

cold region；large inverted siphon； PCCP pipeline；steel pipe；roughness

TV222

B

1672-9900（2017）03-0020-06

2017-03-08

路 強（1982-），男（漢族），甘肅武威人，工程師，主要從事水利水電勘測設計研究工作，（Tel）15276678190。