玻璃鋼管道糙率值實(shí)證分析

蒲振旗 徐元祿 周 騫

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 烏魯木齊 830000)

管道水力學(xué)計(jì)算的主要內(nèi)容是確定水頭損失。水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失兩部分，通常根據(jù)這兩種水頭損失在總水頭損失中所占比重的大小，將管道分為長管及短管，長管是指水頭損失以沿程水頭損失為主，其局部損失和流速水頭在總損失中所占比重很小，計(jì)算時(shí)可以忽略不計(jì)且不影響計(jì)算精度的管道;短管是局部損失及流速水頭在總損失中占有相當(dāng)?shù)谋戎?一般認(rèn)為局部損失及流速水頭大于沿程損失的5%)，計(jì)算時(shí)不能忽略的管道。影響管道過水能力的主要因素有管道斷面形狀、尺寸、斷面粗糙程度以及進(jìn)出口建筑物和管線縱向布置形式等。不論是按長管抑或按短管計(jì)算，管道斷面粗糙程度的界定，即糙率系數(shù)n值的取值對計(jì)算結(jié)果有很大的影響。目前，有些專著［1］和玻璃鋼生產(chǎn)廠家對玻璃鋼管糙率值，即n值的推薦值為0.0084，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位在設(shè)計(jì)中取值為0.009。本文以已建成投入運(yùn)行的新疆北疆供水工程之組成部分——小洼槽倒虹吸工程為研究對象，通過實(shí)測相關(guān)參數(shù)，經(jīng)分析計(jì)算得出了與上述n值有較大差距的結(jié)論，供同行討論、參考。

1 工程簡介

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

新疆北疆供水工程中的小洼槽倒虹吸全長5765m，采用雙管線布置形式，地埋式敷設(shè)，管內(nèi)徑3100mm，單管設(shè)計(jì)過水流量為15.25m3/s，加大流量為17.5m3/s，工作壓力0.46MPa，管材為玻璃纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂夾砂壓力管(簡稱FRP管或玻璃鋼夾砂管)，管內(nèi)徑3.1m，為我國同類管材中管徑最大的工程。本工程2005年完工并試運(yùn)行1個(gè)月，2006年至今投入正常使用。工程設(shè)計(jì)工作壓力0.46MPa，試驗(yàn)壓力0.69MPa，管內(nèi)真空壓力0.1MPa。直管段管壁厚度58.5mm，其中內(nèi)襯厚度2.5mm，結(jié)構(gòu)層厚度55.5mm，外保護(hù)層厚0.5mm，標(biāo)準(zhǔn)管有效長度12000mm。標(biāo)準(zhǔn)管結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 主要工程量

倒虹吸管道總長2×5346m，其中FRP管長2×5187m(標(biāo)準(zhǔn)管826根，非標(biāo)準(zhǔn)管60根)、鋼制管件總長2×159m，沿管線有2×17座鎮(zhèn)墩、2×8座進(jìn)、排氣閥井、2×14座人孔井、2×2座放空閥井等構(gòu)筑物;單線與管道水力學(xué)計(jì)算有關(guān)的管道連接接頭共462個(gè)、折坡點(diǎn)(彎管)14處、三通管24個(gè)、出口平板鋼閘門1扇。管道連接形式見圖2。

2 問題的提出

圖1 管道結(jié)構(gòu)

圖2 玻璃鋼管道連接示意圖

2007年6月上旬，北疆供水工程輸水穩(wěn)定，輸水流量接近倒虹吸設(shè)計(jì)加大流量17.5m3/s，管道以單線方式運(yùn)行，運(yùn)管人員在巡視檢查過程中發(fā)現(xiàn)，倒虹吸工程進(jìn)口水位明顯高于設(shè)計(jì)水位值，于是組織技術(shù)人員對可能影響上游水位雍高的原因進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)倒虹吸進(jìn)出口閘門均處于全開狀態(tài)，進(jìn)口攔污柵前亦無雜物擁堵，經(jīng)初步實(shí)測，倒虹吸進(jìn)出口水位差為4.9m，大于設(shè)計(jì)進(jìn)出口水位差4.3m，由此初步判斷可能是水力學(xué)計(jì)算中糙率n值取值偏小。為了復(fù)核倒虹吸工程的過水能力，即率定本工程管道的糙率值n，運(yùn)行管理單位組織專門力量開展了近一個(gè)月的實(shí)測。

3 倒虹吸工程運(yùn)行工況

a.過水流量Q值穩(wěn)定。

b.進(jìn)出口閘門處于全開狀態(tài)。

c.兩處放空閥處于全關(guān)狀態(tài)。

4 實(shí)測方法

4.1 過流流量測定

采用UF—9114聲路流量計(jì)采集流量數(shù)據(jù)，該設(shè)備施工期間已安裝在倒虹吸出口管段，可每秒鐘自動(dòng)采集16次流量數(shù)據(jù)，且實(shí)時(shí)傳輸至控制屏。

4.2 進(jìn)口進(jìn)水室水位值測定

采用超聲波水位計(jì)，可每秒鐘自動(dòng)采集水位數(shù)據(jù)16次且實(shí)時(shí)傳輸至控制屏。

4.3 出口消力池水位測定

倒虹吸管道出口與消力池連接，因出口消力池長30m、寬23m、尾端坎高4.2m，容積較大，經(jīng)觀察，在流量穩(wěn)定時(shí)，消力池水位變幅很小，故出口消力池水位采用測繩人工施測，且兩次施測間隔要大一些，每次實(shí)測期間采集的水位值要少一些。

5 實(shí)測水力學(xué)參數(shù)

實(shí)測數(shù)據(jù)均值見表1。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)均值

6 實(shí)測值合理性分析

6.1 水位值

6.1.1 進(jìn)水室水位

第一次實(shí)測水位變幅值為0;第二次實(shí)測水位變幅為590.00～590.07m，變幅值為0.07m;第三次實(shí)測水位變幅為589.86～589.93m，變幅值為0.07m;第四次實(shí)測水位變幅為589.73～589.77m，變幅值為0.04m;第五次實(shí)測水位變幅為589.90～589.94m，變幅值為0.04m。五次實(shí)測水位變幅值占均值水位最大僅0.12‰，最小為0。導(dǎo)致水位變幅的主要因素是因?yàn)轱L(fēng)力作用使進(jìn)水室水面產(chǎn)生輕微涌浪。

6.1.2 消力池水位

第一次實(shí)測水位變幅為585.274～585.284，變幅值為0.01m;第二次實(shí)測水位變幅為585.258～585.320m，變幅值為0.062m;第三次實(shí)測水位變幅值為0;第四次實(shí)測水位變幅為585.194～585.204m，變幅值為0.01m;第五次實(shí)測水位變幅值為0。五次實(shí)測水位變幅值占均值水位最大僅0.105‰，最小為0。導(dǎo)致水位變幅的主要因素是風(fēng)力作用使消力池水面產(chǎn)生輕微涌浪。

6.1.3 流量值

第一次實(shí)測流量變幅為17.19～17.38m3/s，變幅值為0.19m3/s;第二次實(shí)測流量變幅為17.0～17.221m3/s，變幅值為0.221m3/s;第三次實(shí)測流量變幅為16.615～16.935m3/s，變幅值為0.32m3/s;第四次實(shí)測流量變幅為16.5～16.9m3/s，變幅值為0.4m3/s;第五次實(shí)測流量變幅為16.57～16.88m3/s，變幅值為0.31m3/s。五次實(shí)測流量變幅值占均值流量最大為2.4%，最小為1.10%，小于UF—9114流量計(jì)所標(biāo)識(shí)的計(jì)量誤差小于5%的誤差范圍。

7 水力學(xué)計(jì)算

7.1 基本公式

為方便計(jì)算，取上游進(jìn)水室為1－1斷面，下游消力池為2－2斷面(計(jì)算簡圖見圖3)。

此區(qū)間的邊界條件比較清楚，簡化后的能量方程如下:

式中 Z1——倒虹吸進(jìn)口進(jìn)水室水位，m;

Z2——倒虹吸出口消力池水位，m;

∑ζi——局部水頭損失系數(shù)之和;

g——重力加速度，m/s2;

C——謝才系數(shù);

n——管道糙率;

d——管道內(nèi)徑，m;

L——管道長度，m;

Q——流量，m3/s。

7.2 局部水頭損失計(jì)算

7.2.1 彎管局損∑ζ彎管

本工程單管線總計(jì)設(shè)置彎管13個(gè)，各彎管幾何參數(shù)、局損計(jì)算詳見表2。彎管局部水頭損失計(jì)算公式:

式中 ζ——局部水頭損失系數(shù);

d——彎管內(nèi)徑，m;

ρ——彎管轉(zhuǎn)彎半徑，m;

θ ——彎管圓心角，(°)。

圖3 倒虹吸布置示意圖

表2 各彎管幾何參數(shù)及局損計(jì)算

7.2.2 進(jìn)口局損ζ進(jìn)口

進(jìn)口為圓角，取 ζ進(jìn)口=0.1［2］。

7.2.3 末端閘門槽局損ζ門槽

出口平板閘門全開，取 ζ門槽=0.4［3］。

7.2.4 出口局損ζ出口

倒虹吸管線出口接消力池，屬淹沒出流，取ζ出口=1.0［3］。

由此得出∑ζi=1.669775。

7.3 管道糙率值計(jì)算

7.3.1 按第一次實(shí)測值計(jì)算糙率值n，流量、上下游水位均取均值

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計(jì)算。

式中 λ1、λ2——玻璃鋼管段及鋼管段沿程水頭損失系數(shù);

d1、d2——玻璃鋼管和鋼管內(nèi)徑，m;本工程d1=d2=3.1m;

L1、L2——玻璃鋼及鋼管段長度，m。

取鋼制管件段糙率n=0.011(屬新管)，將已知數(shù)值 Q=17.26m3/s、z=4.89m、鋼制管件總長 159m、玻璃鋼管長5187m等代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.01062。

b.將整個(gè)管線視為玻璃鋼管道，將管線總長5346m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.01063。

7.3.2 按第二次實(shí)測值計(jì)算糙率值n

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計(jì)算:將已知數(shù)值Q=17.086m3/s、z=4.736m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.01059。

b.將整個(gè)管線視為玻璃鋼管道，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.01060。

7.3.3 按第三次實(shí)測值計(jì)算糙率值n

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計(jì)算:將已知數(shù)值Q=16.795m3/s、Z=4.623m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.01061。

b.將整個(gè)管線視為玻璃鋼管道，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.01062。

7.3.4 按第四次實(shí)測值計(jì)算糙率值n

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計(jì)算:將已知數(shù)值Q=16.65m3/s、Z=4.551m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.01062。

b.將整個(gè)管線視為玻璃鋼管道，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.01063。

7.3.5 按第五次實(shí)測值計(jì)算糙率值n

a.將鋼制管件、玻璃鋼管沿程損失分別計(jì)算:將已知數(shù)值Q=16.675m3/s、Z=4.676m等已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得玻璃鋼管道糙率值n=0.010768。

b.將整個(gè)管線視為玻璃鋼管道，將已知數(shù)據(jù)代入以上公式求得管線綜合糙率值n=0.010775。

8 結(jié)論

a.所選倒虹吸進(jìn)出口計(jì)算斷面邊界條件清楚，進(jìn)出口局損系數(shù)選取準(zhǔn)確;

b.管線彎管邊界條件詳盡，彎管局損系數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確;

c.管道連接為承插連接形式，形成多達(dá)462個(gè)錯(cuò)臺(tái)(見圖2)，肯定會(huì)產(chǎn)生局部水頭損失，因目前尚無成熟的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，故未予計(jì)入;

d.管道沿線設(shè)置有24個(gè)三通件(其中檢修人孔14個(gè)，內(nèi)徑700mm;進(jìn)排氣閥8個(gè)，內(nèi)徑600mm;底部放空2個(gè)，內(nèi)徑300mm。)，也會(huì)產(chǎn)生局部水頭損失，本次計(jì)算中也未予計(jì)入;

e.五次實(shí)測值計(jì)算結(jié)果為:

玻璃鋼管道糙率值n=0.01059～0.010768，絕對差值為 1.78 ×10－4，均 值為 0.01064，比較差 為1.67%。所得結(jié)果較本工程設(shè)計(jì)取值(0.009)大17.67%～19.72%，較玻璃鋼生產(chǎn)廠家推薦值(0.0084)大22.5%～28.27%。因計(jì)算中未計(jì)入管道接頭和三通件產(chǎn)生的局部水頭損失，因此，求得的糙率值應(yīng)稱為玻璃鋼管道的綜合糙率值。

將整個(gè)管線視為玻璃鋼管道，求得的管線綜合糙率值n=0.01060～0.010775，均值為0.01065，與兩種管材分別計(jì)算水頭損失所得結(jié)果相比，差別很小，因此，在進(jìn)行玻璃鋼管道水力學(xué)計(jì)算時(shí)，當(dāng)異型管材長度(管徑相同情況)占管線總長度比重小于5%時(shí)，為使計(jì)算變得簡單快捷，可將整個(gè)管線視為玻璃鋼管材，其計(jì)算結(jié)果完全滿足精度要求。

1 岳紅軍.玻璃鋼夾砂管道［M］.北京:科學(xué)出版社.1998.

2 余際可，魏璟，羅尚生，鄧綏宇.倒虹吸管［M］.北京:水利電力出版社，1983.

3 成都科技大學(xué)水力教研室.水力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，1982.