長距離供水工程管道接頭局部水頭損失系數(shù)取值分析

劉穆峰

(遼寧西北供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

0 引 言

局部和沿程水頭損失為大中型供水工程設計計算的兩個主要方面，直接決定著泵型的選取、斷面壓強、流量和管徑的確定。長期以來，工程上通常取沿程水頭損失5%-10%的比例作為中小型輸水管道的水頭損失。然而，對于大型供水工程而言，局部水頭損失將產(chǎn)生較為顯著的影響，其損失系數(shù)必須嚴格根據(jù)設計規(guī)范或手冊規(guī)定值確定。由于施工方法的改進、管道工藝的提升、工程特殊性和多樣性等條件的限制，大口徑輸水管道工程的設計與現(xiàn)有參考值不相匹配。

遼寧省遼西北供水工程某重要節(jié)點工程的最大水頭損失設計值為4.325m，設計單管流量17.0m3/s管道直徑3100mm，采取雙線布置，全長5.6km，屬于重要的供水節(jié)點工程和國內(nèi)管徑最大的玻璃管道工程，管材為加砂玻璃鋼管纏繞纖維樹脂。常勝等通過對設計標準與過流能力的分析，認為倒吸虹達不到設計要求的主要原因為忽略了水流流態(tài)的判別，并在此基礎(chǔ)上提出了符合實際流態(tài)的水頭損失公式適用范圍，但實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果仍存在一定的10%的偏差，進一步分析發(fā)現(xiàn)管道連接處的局部水頭損失為引起該差值的主要因素[1-7]。

采用承插式接頭型式作為倒吸虹標準管道的連接方式，將寬1-77mm、長約360mm的的環(huán)狀凹槽設置于插口與承口的連接處，流經(jīng)凹槽時管道變形對水流流態(tài)產(chǎn)生一定的影響，從而產(chǎn)生水頭的局部損失。水頭損失受單個凹槽的影響較低，然而該長距離供水工程供存在接頭近460個，在疊加效應下局部水頭損失十分突出。通常情況下，根據(jù)設計規(guī)范和手冊確定局部水頭損失，采用管道流速水頭與相似變形件件引起的局部水頭損失的乘積描述，即hj=ζ·v2/2g。然而，對于承插口接頭方式的水頭損失現(xiàn)行規(guī)范和設計手冊尚未給出參考值。通過對單接頭損失系數(shù)ζ0的確定，從而保證管道水頭損失計算的準確、合理性[8]。

1 研究方法

當前，研究局部水頭損失系數(shù)的兩種主要方法：其一為采用相關(guān)監(jiān)測資料或物理模型進行模擬分析，依據(jù)水力學原理總結(jié)確定；其二為對流體利用現(xiàn)有軟件模型模擬，給出合理的數(shù)值。文章依據(jù)現(xiàn)有研究成果和工程實際情況，對長距離大口徑供水工程的局部水頭損失系數(shù)采用相關(guān)資料和水力學原理總結(jié)確定[9-10]，詳細流程為：

步驟一：為了更加提出承插接口引起的水頭損失以及最大限度的削弱或減少其他變形件引起的影響，結(jié)合工程現(xiàn)有條件選取樁號0+885.0-5+410.0作為觀測段，此段全長4520m，兩端的中心高程為566.5、571.0m，設置的承插口接頭n為380個；高精度脈沖壓力傳感器設置于樁號為5+410.0、0+885.0處，其中1#、2#管道分別設置2個傳感器，所對應編號為BP1、BP9和BP2、BP10。為簡化計算、便于分析，命名過水斷面1、2為樁號0+885.0、5+410.0的過水斷面。各個位置的壓強水頭利用壓力傳感器確定，過水斷面1、2之間的水頭損失hw采用實際液體能量方程，即伯努利方程計算確定，其表達式為hw=hf+hj。采用下式作為實際液體能量方程，即：

(1)

式中：αv2/2g、p/ρg為流速水頭和壓強水頭；z為過水斷面的中心高程；其中，α1=α2=1.0。

步驟二：根據(jù)A·M·庫爾干諾夫公式判Re·k/d別供水工程虹吸管內(nèi)水流形態(tài)，紊流過渡區(qū)間為10

(2)

(3)

式中：hf、l、d為沿程水頭損失、管道程度和直徑，m；k、v為供水工程管道的粗糙度和水流速度，mm、m/s；Re、λ為雷諾數(shù)和沿程阻力系數(shù)。

步驟三：根據(jù)工程實際和設計資料，管道緩坡、承插接口、T形盲孔為引起樁號0+885.0-5+410.0段局部水頭損失的主要因素。對于彎管局部水頭損失系數(shù)現(xiàn)行設計手冊推薦的公式為(5)、(6)，其表達式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：R、hj為彎管轉(zhuǎn)彎半徑和局部水頭損失，m；n為研究段承插接頭個數(shù)；ζ折彎段、ζ緩彎段、ζT形盲孔、ζ0為折彎管、緩彎管、T形盲孔和單個接頭的局部水頭損失系數(shù)；β、θ為水平方向與折彎管軸線的夾角、彎管轉(zhuǎn)彎圓形角，°。

采用圓形直徑為30mm的折彎管試驗，研究者WEISBACH提出了計算公式(6)。因此，結(jié)合遼寧省遼西北供水工程某重要節(jié)點工程實際情況和相關(guān)資料，對局部水頭損失系數(shù)選用較為常用的計算公式(5)確定，見表1。

表1 樁號0+885.0-5+410.0段局部水頭損失系數(shù)

考慮到工程路線較長的實際情況，沿程設置的T形盲孔數(shù)如排水孔、排氣閥、進入孔等數(shù)量比較多，所對應的數(shù)據(jù)信息和水頭損失存在一定的差異，局部水頭損失系數(shù)關(guān)于等徑T形盲孔介于0-0.1范圍，經(jīng)大量的試驗測量確定為0.025-0.042之間。遼寧省遼西北供水工程某重要節(jié)點工程的試驗段T形盲孔數(shù)有12個，建議設定ζT形盲孔值為0.042。根據(jù)計算公式(4)和其他局部水頭損失參數(shù)、式(1)和式(2)計算結(jié)果，最終確定單個接頭的ζ0。

步驟四：為進一步驗證計算結(jié)果的準確性，將倒吸虹水力計算時中輸入步驟三中ζ0計算結(jié)果。其中，按照步驟二推薦的計算公式確定倒吸虹管沿程水頭損失計算值；除ζ0外局部水頭損失還要考慮T形盲孔、緩換短、進水口處等影響作用。參考水力設計手冊和李煒等研究成果，確定出水口、進水口的局部水頭損失系數(shù)為0.50和0.25；根據(jù)步驟三確定T形盲孔和彎段損失系數(shù)[11]。

2 實例分析

2.1 局部水頭損失系數(shù)

不同流量工況下，樁號為0+885.0-5+410.0段的遼寧省遼西北供水工程某重要節(jié)點工程的承插口局部水頭損失系數(shù)ζ0按照上述方法計算確定，受篇幅限制僅給出了部分數(shù)據(jù)，見表2。

表2 樁號0+885.0-5+410.0段的承插口局部水頭損失系數(shù)

根據(jù)表2計算結(jié)果可知，T形盲孔∑ζT形盲孔、緩彎管段∑ζ緩彎管占總局部水頭損失的比例為6.40-7.68%、21.52%-26.41%，其中70%左右的局部水頭損失用于承插口接頭處。結(jié)合小洼槽不同流量工況下的局部水頭損失系數(shù)計算值，單個接頭的∑ζ0取值區(qū)間介于0.0032-0.0055之間，管道內(nèi)水流流量與承插口∑ζ0之間存在負相關(guān)性，即水流量越大則∑ζ0值越小。

2.2 圓形管道驗證

遼寧省遼西北供水工程某重要節(jié)點工程水頭損失計算時計入ζ0取值0.004和以上局部水頭損失初定范圍，最終的計算值見表3。其中，H、H1分別為實測和計算的水頭損失；S為實測數(shù)據(jù)與計算值之間的誤差比。

表3 不同流量工況下倒吸虹管水力計算

續(xù)表3 不同流量工況下倒吸虹管水力計算

為進一步準確分析實測數(shù)據(jù)與水力計算結(jié)果，將表3中相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成圖1，其中H2為不包含承插口局部水頭損失的計算值，其它字母同上。

圖1 倒吸虹水力計算結(jié)果

根據(jù)圖1可知，實測值H和計算值H1、H2在不同流量工況下均呈現(xiàn)出線性分布的特征，計算結(jié)果受數(shù)據(jù)變化的影響較小；實測值H和計算值H1保持較高的一致性，但H1、H2之間存在一定的偏差，變化幅度位于0.2-0.5之間。圖1(b)驗證了這一偏差，實測值與計算值H1整體誤差為10%左右，個別流量工況下接近12%；實測值H與計算值H1之間的誤差介于3%以下，可見將小洼槽倒吸虹水力損失設置為0.0032-0.0055之間滿足有關(guān)計算要求。另外，水頭損失計算的準確度受在一定程度上受到承插口局部水頭損失的影響，且不可忽略。綜合考慮以上各方面因素設定0.0032-0.0055作為單個水頭損失系數(shù)，能夠滿足計算準確性和可靠性要求[12]。

3 結(jié) 論

承插口接頭多、倒吸虹距離長為小洼槽工程的典型特征，由此導致水頭損失問題較為顯著。結(jié)合現(xiàn)有研究成果和伯努利方程原理確定不同流量工況下，承插式大口徑玻璃鋼管的水頭局部損失取值區(qū)間為0.0032-0.0055，能夠滿足計算精度和準確性要求。水頭損失計算的準確度受承插口局部水頭損失忽略的影響，特別是長距離大口徑輸水工程更注重對局部水頭的計算分析。