长距离低水头有压重力流输水管道经济管径的确定方法VIP

第 5 I 卷第 7期 2 01 5年 7月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 G ANS U WA TE R RE S 0U RC E S AN D HY DR OP OWE R T E C HNOL OGY Vo 1 51 No 7 J u 1 ， 2 01 5 设计与研究 长距离低水头有压重力流输水管道经济管径的确定方法 刘 占巍 ， 胡涛平 ， 王海元 ( 长江勘测规划设计研 究院， 湖北 武汉4 3 0 0 1 0 ) 摘要 ： 介绍了重力流的原理、 分类、 特点和适用条件， 长距离低水头有压重力流输水管道经济管径的确定方法。结合 工程实例黑塘水库右岸供水工程 ， 编制 E x c e l 计算表格说明经济水头损失方法的应用。 关键词 ： 有压重力流； 长距离低水头； 经济管径； 水头损失 中图分类号： T U 9 9 1 文献标志码： B 文章编号： 2 0 9 5 0 1 4 4 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 3 8 0 3 1 前 言 随着 国民经济的飞速发展 。 建设节水型社会 的 观念和意识愈来愈被人 民群众所接受 ， 农业 、 工业 、 生活用水多采用管道输水来减少损失 。 提高水的利 用率及用水安全。管道输水按动力来源分为泵流输 水和重力流输水。泵流输水 即为人们熟知的泵站扬 水系统 ， 它依靠电能转化为水的势能及动能服务于 农业灌溉 、 工业和城市生活用水 ； 重力流输水充分利 用地形高差 。 依赖水流的重力势能将水从水源地输 送 到用 水单 位 。 泵流输水管道的设计和施工已经积累了丰富的 经验 ， 许多问题在实践中大都得到了解决。重力流 输水管道 ， 尤其是长距离低水头有压重力流输水工 程 ， 由于工程实例不多， 许多水力学问题尚需在实践 中研究解决 2 重 力流 输水 分 类 重力流输水从工程水力学角度可以分 为两类 ： 无压重力流输水和有压重力流输水 无 压重力 流 输水 即为 明渠或 未充 满 的暗管 ( 涵 ) 输水 ， 在 流态上与天然河道无异 ， 水顺地势 ， 或缓或。 急地 向下游流去 ， 没有压力 ， 地形坡度有多大 ， 水流 的坡度也就有多大。这种无压给水渠道的末端往往 与水池 、 水库或吸水井等构筑物相连。 有 压重力 流输 水一 般 为管道 或充 满 的暗管 ( 涵 ) 输水 ， 不同于天然河道的流动 ， 也不同于泵流输水 。 水在管道里流动时 ， 其压力随着输送水距离的增加 和地势 的下降而增大 ， 有压重力流输水管道的末端 既有动水压力 。 也有静水压 。在水力坡降等于地形 坡降时， 动水压力为零。水流停止流动时输水管道 内又充满水的时候 ， 管末端的静水压最大 ， 其值等于 地形高差 。 3 有 压重 力流 输水 的特 点 在一般情况下 ，重力流输水均是指有压重力流 输水 ， 是依靠位差和压差来输送水流 ， 它与泵加压输 水相 比有以下特点 ： ( 1 ) 重力流输水受地形的约束 比较大 ，只有在 具有一定的地形高差 、 地貌情况也 比较好 的时候 ， 才 能考虑采用重力流输水。 。 ( 2 ) 采用重力流输水要 同时考虑地形坡降和水 力坡降而用水泵加压输水的管道则可以不考虑地 形坡降。 ( 3 )有压重力流输水管的末端存在静水压 ， 如 果静水压过大 ，超过管道能承受的压力 ，会引起爆 管 ， 直接影响供水管网的安全 。 ( 4 ) 重力流输水时 ，流量和水压力的调节幅度 比较小 。这是因为水位高差是重力流输送水 的动力 来源 ， 在取水 口位置 、 厂址 、 工艺流程 、 输水管径 、 长 度等确定之后 ， 相对的水位差也就基本 固定下来 ， 就 是有变化 。 其变化幅度也 比较小。 4有压 重力 流输 水适 用条 件 有压重力流输水的原理是利用水体所具有的重 力势能来作为水流流动的能量来源。输水过程 中 ， 重力势能一部分转化为动能 。一部分克服水流阻力 做功转化为机械能。所以采用重力流供水的基本条 件就是水源与需水点在地势上要有一定的高差 ， 这 个地势高差要满足管道沿线各处构筑 物的水头损 失 ， 同时还要保持需水点最高处也有一定压力水头 ， 即须满足式 ( 1 ) 否则有压重力流输水方式不适用 。 H A h + h ( 1 ) 式中： H供水水源与需水点的最小水头差( m) ； 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 6 0 7 作者简介： 刘 占巍( 1 9 8 2 一 ) ， 男 ， 河南驻马店人 ， 工程师， 硕士， 主要从事水利水电工程规划设计。E m a i l ： 2 2 8 6 8 8 5 9 1 9 q q t o m 38 第 7期 刘 占巍， 等 ： 长距离低水头有压重力流输水管道经 济管径 的确定方法 第 5 1 卷 输水管道水头损失 ， 包含沿程水头损失 和局部水头损失( m) ； 需水点最高处所必须 的压力水头 ( 安全 水头或用户需要水头) ( m) 。 5有压重力流输水管道经济管径确定方法 一 般来说 ， 长距离输水管道的管径和断面尺寸 对工程造价和安全运行都有很 大影响 ， 在选择时应 进行技术经济 比较 确定出输水管道总费用最小时 对应的管径 。从理论上来说输水管道的总费用包括 固定费用 ( 一次性投资 ) 和运行费用 ( 主要是 电费与 维护检修费用) 两部分组成 。 而对于有压重力流输水 管道来讲 ， 不耗费额外的电能 。 进行经济技术 比较 时。 主要考虑 固定费用 即可 。 输水起末端的地形高差为有压重力流输水管道 的可利用水头 ， 在确定输水设计流量后 ， 当可利用水 头较大时， 输水管径越小 ， 投资就越少 。当然 ， 管径 越小时， 输水流速就会越大 运行时引起的水锤升压 就越高， 容易发生水锤事故 1 。 经水锤分析计算设置 减压消能装置和其他水锤 防护措施 的情况下 ， 可 以 采用较大的流速 。 从而减小管径 。 减小工程投资。此 时可 以根据常用的经济管径公式 式 ( 2 ) 计算经济 管径 。 ( 2 ) p 设计流量( m 3 s ) ； 经济流速 ， 0 6 - 3 0 m s ， 一般在 0 9 - 1 5 r n s 之 间取 用 。 当可利用输水地形高差较小时 。 若采用较大 的 输水流速 ， 就会使管道水流的沿程水头损失与局部 水头损失变大 。 式( 1 ) H A h + h中 A h值过大 ， 致使可 利用水头 日所具有 的重力势能不足 以来补偿输水 管道 的水头损失。所 以， 应采用较小 的流速以减小 水头损失 。 来满足有压重力流输水要求的条件 。对 g 扭 叵 于长距离低水头有压重力流输水工程常采用的经 济管径公式就不再合适 ，应采用经济水头损失的方 法确定经济管径 1 ， 充分利用地形高差 。 使输送设计 流量时所采用 的管径最小 ， 以求得最佳经济效益。 6 黑塘水库右岸输水管道设计 6 1 工 程简 介 黑塘水库位于重 庆市涪陵区龙潭镇群星村 长 江南岸二级支流龙潭河上游 ，是以城镇供水为主结 合农业灌溉供水 的中型水利工程 。水库集雨 面积 4 5 7 k m 2 总库容 1 1 3 2 1万 m 水库正常 蓄水位 7 3 3 5 0 m。 死水位 7 1 0 O 0 m。为了便于工程管理 ， 根 据黑塘水库灌 区的地形条件 、河道 自然分布形态及 水库供水对象的不 同。以龙潭河为界划分为右岸供 水工程和左岸供水工程两部分。本文仅以右岸供水 工程为例， 采用经济水头损失的计算方法 ， 介绍右岸 输水管道经济管径的确定。 黑塘水库死水位高程为 7 1 0 O 0 m，作为本次管 道设计的控制水位。右岸供水管道总长 1 9 3 8 0 k m， 取水设计流量为 0 8 9 0 m3 s ， 供水管道桩号 5 + 6 2 4处 为龙潭镇分水点 ， 此处地面最高点高程 7 0 1 O 0 m， 分 水点之后流量变为 0 8 0 4 m3 s 。 毛里石隧洞入 口处桩 号 1 3 + 6 1 4 地面高程 6 9 0 O 0 m流量变小为 0 5 2 4 m 3 s 。同时需要保证管道 自流供水安全 ， 沿程至少留 出 2 0 0 3 0 0 m安全水头 。图 1 给出了最小压力水 头线和地形纵剖面线 ， 可以看出右岸输水管道属于 典型的长距离低水头有压重力流输水工程，可利用 水头很小 应采用经济水头损失的方法计算确定经 济管径 。 6 2 管道设计 ( 1 ) 首先根据经济管径公式 式 ( 2 ) ， 初步确定 管径 。 ( 2 ) 结合管道布置路线 的地形高程控制点 、 流 量及管径变化等因素对管道进行合理分段 。以便水 力计算符合工程实际情况 。 1 0 20 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 90 1 0 0 l l 桩号 k m 图 1 管线纵剖面 39 O O O O O 0 O 0 O O 0 n ：2 2 0 1 5年第 7期 甘肃水利水 电技术 第 5 1 卷 ( 3 ) 计算沿程水头损失和局部水头损失。 对于带 内衬的金属管道单位管长水头损失 i 按式( 3 ) 计算 3 ： i = h y l = v 2 ( C Z R) ( 3 ) 式中： 尺 水力半径( m) ； c _为谢才系数 ， C = ( 1 n ) R ； n 管道粗糙系数 ， 本工程管道为有环氧 内 衬的金属管道 ， n取 0 0 1 0 。 根据规范要求 ， 输配水管 网局部水头损失一般 取沿程水头损失的 5 一 1 0 计算 4 考虑山区长距离 输水管道地形起伏变化大 。管道拐点 、转弯多等因 素， 局部水头损失按沿程水头损失的 1 0 估算 。 ( 4 ) 编制 E x c e l 水力计算表格 ， 采用经济水头损 失 的方法计算经济管径。在满足重力流 的情况下 ， 尽可能地减小管径 ， 设法把可以利用 的水头用足 ， 不 留多余水头计算出的管径就是最经济的，此时的工 程投资也是最小的。利用编制的 E x c e l 水力计算表 格进行反复试算 ， 确定出满足条件的管径 ， 计算结果 见表 1 。 表 1 输水管道水力计算 桩号 项 目 ， 流速 (m s 糙 率 萋 项 目 注 ： = ， ， = x ， ： 0 1 x ， = 一 ， = 一 ， = 一 从表 1 可 以看出， 在保证 2 3 m安全水头 的情 况下 ， 输水管道管径为 D N 9 0 0和 D N 7 0 0时 且局部 地形较高点还得深挖或隧洞方式才能满足重力流输 水条件的要求 ， 此时的管径即为经济管径 ， 流速即为 经济流速。 7结 语 在山区供水或灌溉工程 中 ， 输水管道系统 的投 资对工程总投资影响很大。据统计 ， 一般管道建设 占工 程 总投 资 的 7 0 9 0 其 中管 材 费用 是 主要 费 用 5 1 。比如黑塘水库左右岸供水工程投资 占总工程 投资的 6 0 。管径选择太大 ， 就会增加建设费用 ， 管 径选择太小 ， 水头损失过大 ， 又会使重力流条件不能 满足。因此 ， - 根据工程输水特点 ， 选择合适的计算方 法确定合理的输水管径是至关重要的。 4 0 管道的设计还有管材的选择、水锤计算 、排气 阀、 减压阀 、 泄水 阀等管道附件的设计。总之 ， 有压 重力流输水系统最大限度地利用 了水 的势能 ，是一 种 比较理想的供水方式 ， 它具有不需外界提供动力 、 清洁节能 、 投资省 、 成本低 、 运行管理方便简单等诸 多优点 。 是一种值得推广的输水方式 。 参考文献 ： 1 C E C S 1 9 3 ： 2 0 0 5 ， 城镇供水长距离输水管( 渠) 道工程技 术规程 S 2 G B 5 0 2 8 8 9 9 ， 灌溉与排水工程设计规范 S 3 G B 5 0 0 1 3 2 0 0 6 ， 室外给水设计规范 s 4 S L 3 1 0 2 0 0 4 ， 村镇供水工程技术规范I s 5 李斌， 王以兵 山地灌区重力流下管道极限流速探讨 J _ 人民黄河 ， 2 0 1 3 。 3 5 ( 4 ) ： 8 1 8