水利基础分析计算 7

任务3

简单管道的水力计算

2.3.1任务导入

它是世界上伟大的奇迹，让奔腾于祖国大地的长江黄河就此“握手”；它是中国的超级工程，攻坚克难，凝结着无数人的心血和智慧；它的贯通确保一渠丹江清水穿越黄河输送至北方，惠泽千万百姓，它就是南水北调的“咽喉工程”——穿黄工程。

这是中国第一次在万古黄河的河道下进行水利工程施工，在世界上也绝无仅有。

在千年沉积，泥沙胶结，混杂交错的黄河河床凿出两条隧道，谈何容易！2.3.1任务导入

面对黄河河床游荡、河槽深度冲淤、复杂地质条件、砂土地震液化等一系列技术难题，穿黄工程集中了当时国内盾构和隧洞施工能力最强的四家央企施工单位，强强联合，组成两大联营体，分别承担上下游隧洞施工。施工过程中，参建各方发扬求真务实、开拓创新、一丝不苟、精益求精的精神，先后攻克了北岸竖井施工、盾构机始发、隧洞盾构掘进等一系列难题，开创了我国的数个第一：第一次采用大直径隧洞穿越黄河，在我国水利史上第一次采用泥水平衡加压式盾构进行隧洞施工，第一次应用双层衬砌的结构。此外，相关单位研制新型防渗结构和材料，成功解决了结构安全、防渗与排水问题。2.3.1任务导入“穿黄”顾名思义就是“穿越黄河”，其任务是将中线调水从黄河南岸输送到黄河北岸，向黄河以北地区供水，同时在水量丰沛时可向黄河相机补水。在郑州花园口西黄河河床底部40m深处，开凿两条4250m长的隧道，北上的长江水通过两条穿黄隧洞与黄河立体交叉，形成“江水不犯河水”之势俯冲而下，穿越万古黄河。穿黄工程总长19.3km，由南岸明渠、穿黄隧洞及北岸明渠组成，其中黄河南岸明渠长4.6km，穿黄隧洞全长4250m，其中邙山段隧洞长800m，过河段隧洞长3450m，北岸明渠长9.3km，一期工程设计流量为265m3/s，加大流量为320m3/s。2.3.1任务导入任务：这一国内穿越大江大河直径最大的输水隧洞建设9年、运行近10年，工程安全平稳。事实证明，中国人可以依靠自己的力量解决工程中的核心难题。截至目前穿黄工程累计输水已超过400亿m³，极大缓解了京津冀的缺水状况，发挥了显著的经济、社会和生态效益。穿黄工程隧洞的输水流量如何计算？2.3.2有压管流的特点分析一、管流的认知（一）管流的基本概念液体完全充满管道所有横断面的流动。根据hf与hj两种水头损失在损失中所占比重的大小，将管道分为长管及短管两类。根据出口水流的特点可分为：自由出流淹没出流根据其布置情况可分为：简单管道与复杂管道。复杂管道又可分为：串联管道、并联管道、枝状管网、环状官网。（二）管流的分类

2.3.2有压管流的特点分析二、工程中的简单短管（一）虹吸管在水利工程中，常用虹吸原理将水引跨河堤、土坝或高地的输水管道，这种部分管段高于水面，在真空条件下工作的管道系统，称为虹吸管。虹吸管通常采用等直径（或等断面）的简单管道，一般按短管计算。2.3.2有压管流的特点分析1.虹吸原理

在水利工程中，利用虹吸原理来输水就是先对管内进行抽气，使管内形成一定的真空。虹吸管进口处受水面大气压强的作用，使管内管外形成压强差，迫使水流沿管道流动。只要虹吸管内的真空不被破坏，且保持上、下游有一定的水位差，水就会不断地由上游通过虹吸管流向下游。

用虹吸管输水的优点在于充分利用大气压强的作用，无需在管道上增添抽水设备，运行费用低，故而被广泛采用。在我国黄河流域两岸此类虹吸管采用较多。2.3.2有压管流的特点分析2.虹吸管的工作条件

通过虹吸管内所形成的真空将上游水池（或河渠）中的水吸引到较高的位置，再经管道下泄到下游水池（或河渠）。须注意以下几点：（1）要使水流通过虹吸管输送到下游，上游水位必须高于下游水位。（2）要使上游的水开始向高处流动，必须先将管内空气排出，形成一定真空值，而管外为大气压，在管内外一定的压强差作用下，水流开始运动。（3）要使水流保持连续运动，管内的真空又要有一定限制，根据液体汽化压强的概念，管内真空值一般限制在68.6~78.4kPa，即7~8m水柱以下，以保证虹吸管内水流不致汽化。2.3.2有压管流的特点分析（二）水泵

水泵装置是一种增加水流能量的水力机械，在实际生活中被广泛运用。水泵装置由吸水管、水泵和压水管三部分组成。水泵的工作原理是开动水泵前，先由真空泵使水泵吸水管内形成真空，水源的水在大气压强的作用下，从吸水管进入泵壳；启动水泵，此时由电机带动的水泵给水流输入能量（真空泵停止工作），水流获得能量，再经压水管进入下游水池。2.3.2有压管流的特点分析

在水利工程中常常需要修建水泵站灌溉、排水等，而水泵站的核心就是水泵。水泵的选择不仅影响到水泵站是否能正常开展工作，选型的合理更直接关系到泵站的运行成本。在我国，水泵站通常采用的是离心泵，离心泵具有结构简单、输液无脉动、流量调节简单等优点。根据工程的实际情况，首先选取离心泵的类别。2.3.2有压管流的特点分析

节能减排现已成中国经济开展规划大纲的首要内容，特别对电力、钢铁、有色、石油化工、水处置等工业范畴高耗能提出了愈加严厉的减排方针。为了响应国家建设资源节约型社会的需求，光伏水泵成为新的研究潮流，光伏水泵系统利用太阳的持久能源，日出而作、日落而息，无需人员看管、无需公共电网，独立运行、安可靠。系统可与滴灌、喷灌、渗灌、微灌等现代节能灌溉设施配套，解决偏远干旱地区生活饮水、农田灌溉、水土保持及沙漠治理问题。

光伏水泵系统有效的节水节电，大大降低了传统能源的投入，实现了二氧化碳零排放，真正符合国家建设“资源节约型”与“环境友好型”的社会发展战略。2.3.2有压管流的特点分析（三）倒虹吸管渠道穿越河流、渠沟、洼地、道路，采用其他类型建筑物不适宜时，可选用倒虹吸管。常用钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土材料制成,也有用混凝土、钢管制做的,主要根据承压水头、管径和材料供应情况选用。倒虹吸管由进口段、管身段、出口段三部分组成。2.3.2有压管流的特点分析

倒虹吸管有悠久的历史。公元前180年在古希腊（今土耳其）帕加马曾建筑一座倒虹吸管，其下弯穿越河谷的深度超过200m，管径为30cm。倒虹吸管在中国古代称为渴乌,公元186年在《后汉书》中已见记载。

中华人民共和国成立后，修建了大量倒虹吸管，在结构形式、用材、施工方法和制管工艺上有不少发展。预应力钢筋混凝土管由于其承压较高,具有较高的抗裂性、抗渗性,故得到了推广。如人类历史上最宏大的穿越大江大河的水利工程——南水北调中线穿黄工程就采用了倒虹吸管。2.3.3有压管流的计算方法一、简单短管自由出流的水力计算方法对1-1断面和2-2断面建立能量方程令

且因2.3.3有压管流的计算方法

故

上式表明，管道的总水头将全部消耗于管道的水头损失和保持出口的动能。因为沿程损失局部水头损失有2.3.3有压管流的计算方法

取

则

管中流速通过管道流量式中称为管道系统的流量系数。当忽略行近流速时，流量计算公式变为

2.3.3有压管流的计算方法二、简单短管淹没出流的水力计算方法管道出口淹没在水下称为淹没出流。取符合渐变流条件的断面1-1和2-2列能量方程因则有

在淹没出流情况下，包括行进流速的上下游水位差z0完全消耗于沿程损失及局部损失。

2.3.3有压管流的计算方法

因为整理后可得管内平均流速通过管道的流量为式中，称为管道系统的流量系数。当忽略掉行近流速时，流量计算公式为2.3.3有压管流的计算方法三、虹吸管的水力计算方法虹吸管水力计算需解决以下3类计算问题：（1）在已定上下游水位差的条件下，已知管径，确定输水流量。（2）由虹吸管水流的允许真空值来确定管顶允许最大安装高度。（3）已知安装高度，校核管中最大真空值是否超过允许值。

第（1）类计算问题可以用简单短管淹没出流的计算方法来解决，第（2）、（3）类问题可以用列恒定总流的能量方程解决。2.3.3有压管流的计算方法四、水泵的计算方法1.水泵管道水力计算的内容：

①吸水管计算——主要确定吸水管管径及水泵安装高度；

②压力管计算——主要确定压力管管径、水泵扬程和水泵动力机械装机容量。上述两部分计算都属于简单短管管道计算。2.管径的选择根据工程实践中总结出的一些实用管道的经济流速的变化范围选定流速，由下式确定管道的经济直径：2.3.3有压管流的计算方法

2.3.3有压管流的计算方法4.水泵扬程确定：对1—1断面和4—4断面列能量方程，得

5.水泵的动力机械功率2.3.3有压管流的计算方法五、倒虹吸管的水力计算方法倒虹吸管按短管淹没出流计算。倒虹吸管经济流速ve=1.5~2.5m/s。水力计算的类型：（1）已知管道直径d、管长、上下游水位差z，求过流量。（2）已知管道直径d、管长及管道布置、过流量