中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安 710065

正文：

近年來(lái)，受全球氣候變化和人口增長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快等因素影響，我國(guó)區(qū)域性嚴(yán)重干旱現(xiàn)象加重，為保障嚴(yán)重干旱期間重點(diǎn)旱區(qū)群眾飲水安全，推進(jìn)構(gòu)建與經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展相適應(yīng)的抗旱減災(zāi)體系，各省均根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行農(nóng)村引水工程建設(shè)。長(zhǎng)距離輸水管道由于輸送距離長(zhǎng)，減小沿程水力計(jì)算的誤差是管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。很多學(xué)者在這方面做了大量研究。根據(jù)試驗(yàn)及分析：管徑≥300mm,各個(gè)計(jì)算公式的誤差較小，小管徑時(shí)計(jì)算誤差較大。然而，實(shí)際農(nóng)村引水工程中的管徑常常小于200mm。因此研究小管徑的巖層損失及計(jì)算公式的選擇具有重要實(shí)用意義。

1 沿程水頭損失的常用計(jì)算公式及應(yīng)用條件

目前，計(jì)算管道巖層水頭損失的方法較多，且多為經(jīng)驗(yàn)公式。在實(shí)際工程中考慮到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、使用年限及材料采購(gòu)等方面影響，以及PE管耐腐蝕性強(qiáng)，內(nèi)壁較光滑（水流阻力?。?，施工運(yùn)輸方便，施工周期短等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工程中較多采用。本文就PE管的情況進(jìn)行討論。常用來(lái)計(jì)算塑料管道沿程損失的方法有：

1.1 達(dá)西公式

d—管內(nèi)徑，v—流速，Q—流量，L—管道長(zhǎng)度。

達(dá)西公式是均勻流沿程水頭損失的普遍計(jì)算公式，在計(jì)算損失時(shí)考慮了溫度、管材粗糙度、流速等因素，層流紊流均可使用。

表1 水在不同溫度時(shí)的值（×10-6）

表1 水在不同溫度時(shí)的值（×10-6）

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1.2 舍維列夫公式

舍維列夫公式前一段時(shí)期也廣泛用于給水管道水力計(jì)算,是由舊鋼管和舊鑄鐵管管材試驗(yàn)資料確定的。但由于該公式計(jì)算形式簡(jiǎn)單，參數(shù)選擇固定，在目前實(shí)際引水工程中應(yīng)用較多。

1.3 海森-威廉公式

該公式適用紊流過(guò)渡區(qū),其中水頭損失與流速的1.852次方成比例(過(guò)渡區(qū)水頭損失h∝v1.75～2.0)。該式計(jì)算方法簡(jiǎn)捷,在美國(guó)作為給水系統(tǒng)配水管道水力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)式, ,近幾年我國(guó)也普遍用于配水管網(wǎng)的水力計(jì)算。

1.4 謝才公式

常用于沿程水頭損失的公式還有謝才公式:

謝才公式是計(jì)算均勻流的經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式，既可適用于明渠，也可應(yīng)用與管流。謝才系數(shù)的確定有曼寧公式、巴甫洛夫公式、美國(guó)水道實(shí)驗(yàn)站公式。由于常用來(lái)確定謝才系數(shù)的曼寧公式等適用于阻力平方區(qū)，故在PE管道的計(jì)算中不進(jìn)行比選。

2 實(shí)際算例計(jì)算結(jié)果比較

以某個(gè)鄉(xiāng)的引水工程為例，該工程共計(jì)劃解決17個(gè)村莊3297人的抗旱應(yīng)急用水，項(xiàng)目區(qū)分為七個(gè)片區(qū)供水，供水流量在0.000161m3/s-0.00556 m3/s，設(shè)計(jì)管徑的取值范圍為35mm-150mm，管道均鋪設(shè)在凍土深度以下，選取動(dòng)力粘滯系數(shù)為1.78×10-6m2/s。分別就不同流量、管徑、管長(zhǎng)采用不同個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算 ，結(jié)果見(jiàn)圖1-3.

由上圖可知，管道的巖層損失的影響因素主要有管徑、管長(zhǎng)、流量和計(jì)算公式。在流量較小的情況下，①流量的大小對(duì)沿程損失的影響較大，經(jīng)計(jì)算流量＞2L/s時(shí)，巖層損失的計(jì)算結(jié)果為海森＞達(dá)西＞舍維列夫；流量＜2L/s,時(shí)，則有達(dá)西＞舍維列夫＞海森。②當(dāng)管徑大于120mm，公式的差異與管道的長(zhǎng)度對(duì)沿程損失的影響較小。③公式不同導(dǎo)致的結(jié)果差異主要由于參數(shù)的選擇各異。

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，為彌補(bǔ)巖層損失的計(jì)算誤差，常常要確保末端的出水水頭約為10-30m。這樣不僅對(duì)水資源緊缺地區(qū)造成資源配置不合理，也會(huì)增加水源井的開發(fā)壓力及開采資金。因此在嚴(yán)重缺水區(qū)域的引水工程中，要因地制宜，選擇能真實(shí)反映管道的水力特性并保證輸配水管道的流量、壓力滿足設(shè)計(jì)要求且損失最小的管道設(shè)計(jì)方案。

3 結(jié)論及建議

目前的農(nóng)村引水工程設(shè)計(jì)中，大都采用舍維列夫來(lái)計(jì)算相應(yīng)的沿程水頭損失，由上述計(jì)算知，當(dāng)流量＞2L/s時(shí)該公式的計(jì)算結(jié)果偏小，應(yīng)用經(jīng)典達(dá)西公式或海森-威廉公式進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，確保能夠達(dá)到末端水壓要求。尤其處于溫度變化范圍較大的情況時(shí)，要根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的動(dòng)力粘滯系數(shù)進(jìn)行復(fù)核。

通常情況下，管徑是根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速確定。然而在山區(qū)的管網(wǎng)中很難達(dá)到理想狀態(tài)下的經(jīng)濟(jì)流速，所以在管徑的選擇上存在一定不合理性。建議在選擇時(shí)可以先控制最大沿程損失，采用損失最大的公式反求最大管徑，根據(jù)管材的尺寸規(guī)格選擇合適管徑，最后用經(jīng)典達(dá)西公式進(jìn)行水頭損失計(jì)算復(fù)核。