输水管道设计中的糙率选用问题研究

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1、输水管道设计中的糙率选取问题研究摘要文中分析了目前输水管道设计中糙率选取存在的问题，提出了不宜选用单一糙率进行管道水力学计算，而应综合考虑输水水质、水温、管材及制作工艺、管径大小等因素，选取能包络各种运行工况的一定范围的糙率上下限值，作为水力学计算参数，以保证管道输水工程既能在长期运行时达到设计流量，又能安全运行。关键词输水；管道；水力学；糙率中图分类号TV134.2文献标识码A4①孙万功，男，1958年5月生，学士，高级工程师，研究方向：水利工程，太原，0300240引言随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断高，我国许多大中城市尤其是北方城市的

2、缺水状况十分严重，当地水资源不能自求平衡，不得不远距离调水，以解决水资源短缺问题。因此，长距离、大流量的大型调水工程势在必行。在大型调水工程中，管道输水方式因其对地形地质条件要求不高，可随一定地形铺设，渗漏损失小，施工较简便，造价较低，管理运行方便等优点，常常为设计者优先考虑。大型管道输水工程其特点是距离长、流量大、管径大，要求供水保证率高，因而有一些有别于一般的小型管道输水工程设计的重要问题。重要的是管材管径的选择，而管径选择中糙率的选取是关键问题。1糙率选取问题的提出糙率也称粗糙系数，是表征边界条件影响水流阻力的各种因素的一个综合系数，常用在计算

3、沿程水头损失的谢才公式中。在以往的输水管道工程设计中，常规的设计方法是根据选用的管材，在教科书或参考资料中按一个单一定值（本文称为单值法）选用糙率进行水力学计算，这种方法对短距离输水工程来说由糙率选取引起的水头损失误差不是很大，而对长距离大流量的输水管道来说，糙率的大小对水头损失计算结果的差异是很大的，对管径的选择有很大的影响。例如，万家寨引黄工程联接段其中一个输水区段长17km的管道，管径3m，管材为预应力钢筒混凝土管（英文缩写为PCCP），输水流量20.5m3/s，若n值分别取0.0115和0.013时，沿程水头损失相差竟达到7.7m，占小糙率时

4、水头损失的27.7%，占此段管道总静水头的13.8%，这样大的差别应引起设计者的重视。41糙率问题分析2．1合理选取糙率的重要性对于长距离管道输水工程在进行水力学计算时，由于实际工程的水流大多为阻力平方区的紊流，因此工程上计算沿程水头损失广泛采用的公式[1]为：（1）（2）由式(1)、（2）推得：（3）式中：—管道沿程水头损失（m）;—管道水流平均流速（m/s）;—谢才系数;—管道水力半径（m）；—管道糙率；—管段计算长度（m）。从（3）式可知，管道沿程水头损失与、的平方成正比，当设计流量与管径初步确定后，则与即为定值，因此，管道沿程水头损失仅与糙率

5、有关，若设计时糙率选得较实际运行时的糙率小，则输水能力达不到设计要求；若设计糙率选得较实际运行时的糙率大，则除给工程造成浪费、投资增大外，实际运行时还会形成较大的剩余水头，需要采取工程措施予以消除，如果设计考虑不周，还会给工程造成安全隐患。因此，糙率的选用对输水管线的水力学计算及工程布置乃至工程的安全运行都有着非常大的影响。2．2影响糙率选取的主要因素与问题目前可用于输水工程的管材主要有预应力钢筒混凝土管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、预应力混凝土管、塑料管等，种类繁多，糙率变化很大。对于一定材质的管道，初始糙率与管道的制作工艺及施工质量有关，长期运行

6、的糙率则与输水水质、水温、结垢或挂藻程度有关。4管道制作工艺先进，施工质量高，则糙率较小，否则会较大。输水水质钙离子含量大、水温高，则长期运行后糙率会变大。例如山西阳泉娘子关提水一期工程，设有两条钢管提水，管内径1.2m，提引娘子关发电厂冷却水，提水流量1.5m3/s，水温在35~46℃之间，原水为娘子关泉水，水中钙离子含量大，工程运行20多年来，使输水管内形成一层坚硬的水垢，厚度达到7cm，缩小管道输水断面22%，增大了管道糙率，使输水流量减少了25%左右，情况十分严重。这说明长期运行后的糙率是设计者应考虑的问题。3设计糙率选取方法探讨针对输水管道

7、设计糙率存在的问题，本文提出以下糙率选取方法及应注意的问题。糙率的选取首先要满足输水流量的要求，不仅要考虑运行初期达到设计流量，还要考虑长期运行后管道糙率的变化。一般来说，新管糙率较小，长期运行后，糙率要变大。因此，按单值法采用某一糙率定值来设计是不符合实际情况的，而应综合分析各种影响糙率变化的因素，考虑长期输水糙率的变化，选取一定范围的n值上下限，上限糙率用于考虑长期输水的设计工况，以保证管道长期输水达到设计能力；下限用于管道初期运行工况，因为最终选用的管径是按上限糙率选定的，而管道初期运行时糙率较小，会形成较大的剩余水头，在管道末端要对其进行消能

8、处理，否则工程将会埋下安全运行的隐患。选取糙率范围的上下限要合理，上限选得过大，长期运行后达不到此糙率，会对