路 强

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

设计与施工

大型倒虹吸管道综合糙率计算研究

路 强

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

基于新疆北疆某供水工程倒虹吸2006～2013年实测数据，对该倒虹吸进出口水位进行管材糙率反演，用统计分析法并对结果进行加权平均后，最终得出该PCCP管道的综合糙率值0.0115，钢管道的综合糙率值0.0105，该糙率值可为高压力、大直径玻璃钢管道在大型倒虹吸工程的水力学计算中糙率的取值提供依据。

严寒地区；大型倒虹吸；PCCP管道；钢管道；糙率

倒虹吸是一种应用广泛的水利工程型式，国外应用的较早，如以色列的北水南调工程，埃及西水东调工程，美国科罗拉多引水工程等［1-3］。近几十年来，我国相继建设了一批 “百千米级”的大型倒虹吸工程，代表性工程有南水北调、掌鸠河引水、引黄入晋等工程［4-6］，倒虹吸逐步向高水头、长距离和大管径发展。随着材料技术的发展，PCCP管、玻璃钢管等新型管材逐渐运用于大管径的输水工程，在大型倒虹吸工程和城市供水工程中得到普遍应用。该工程倒虹吸采用PCCP+钢管组合方案，在国内大型输水工程中仅此一例。本文以已建成运行11年的倒虹吸为研究对象，通过2006～2013年实测数据对该倒虹吸进出口水位进行管材糙率反演，用统计分析法并对结果进行加权平均后最终得出该PCCP管道与钢管的糙率值，该糙率值可为同类工程提供参考与借鉴。

1 工程概况

新疆北疆供水工程穿越准噶尔盆地、古尔班通古特沙漠，线路全长512km。其中该倒虹吸跨越沙漠北缘的吉拉沟大洼槽，沟宽12km，沟深160m，两端高差28.6m。地层系第三系砂岩、泥岩和风积沙。倒虹吸由进口段、管身段、出口段、进口建筑物等组成（其中进口、出口及进口建筑物一次性建成），倒虹吸全长10.93km，其中管线长10.57km，设置两根管道，两端与引水明渠连接，最大静水压力1.6MPa，考虑到钢管的造价较高，为节省工程投资，管道采用PCCP（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）与钢管的组合方案，即1.4MPa以下采用PCCP管，管线长7.39km，内径2.8m；1.4MPa以上采用钢管，管线长3.18km，内径2.7m。

工程于2005年建成通水，安全运行11年。根据供水需求的不断增长，2015年开始实施扩建工程，在原预留进出口位置，再增设1条相同的管线，形成3根管道并行的工程布置格局，设计过水能力3×19m3/s。

2 工程特点

2.1 综合难度大

按综合难度系数 （水头×管径值×管长：1.6MPa×2.8m×11km=49.28）查新统计，3个泉倒虹吸是迄今为止亚洲最大的倒虹吸工程［7］。超特长、高应力、大变形等工程特性，对倒虹吸管道的制作、安装、埋设、运行管理提出了极高的要求，特别是管道伸缩节必须具有满足轴向伸缩位移，又要满足一定的挠曲度和偏位量。

2.2 流量变幅大

每年渠道恢复输水前，需采用小流量1m3/s缓慢充水。输水流量5～57m3/s。水头高、流量变幅大、进出口水位落差大等水力学特性，对管道充水、运行、放空等各阶段的水力安全控制技术要求高、难度大，需解决好高水头下的消能放空和水锤防护问题［8］。

2.3 环境气候条件恶劣

工程区地处北纬45°以上的严寒地区，具有冬季寒冷漫长，夏季炎热干燥，春秋季寒潮频袭，大风天气多，冬季最低气温-41.7℃、夏季最高温度40.6℃、昼夜温差20℃、年际温差高达82℃。昼夜温差、阴阳面温差和年际温差大、干湿交替频繁、冻融循环剧烈等不良气候特征，对管道的应力应变调控提出了极高要求。特别是管基地质条件较差，大多为第三系的膨胀泥岩和风积沙，对管道的变形适应能力也提出了极高要求。

3 国内PCCP管及钢管糙率值的选取

国内PCCP管起步晚，发展快，北京怀柔应急供水工程、北京张坊应急供水工程、呼和浩特市引黄供水工程在设计时PCCP管道糙率取值0.0125，哈尔滨磨盘山输水工程管道PCCP糙率取值0.0115，深圳市供水网络工程管道PCCP糙率取值0.0110，山西万家寨引黄供水工程PCCP管道糙率取值0.012～0.0125［9］；钢管在国内输水管道应用较早，先明峡倒虹吸钢管糙率取值0.012［10］，SGQ倒虹吸一期一步工程糙率取值0.012［11］。PCCP管道与钢管道在实际水力学计算中糙率的取值对结果有很大影响，管道实际综合糙率值是多少则需要用实践来确定。

4 倒虹吸管道实际糙率反算

4.1 计算条件

该倒虹吸管道沿线内水压力监测：沿管线布设20个测点（AP1～AP20），其中奇数测点布置在左侧管道上，偶数测点布置在右侧管道上。桩号分别为：0+575，2+150，3+925，5+050，6+447，8+025，8+975，9+533，10+075，10+375。分别在进人孔管道挡板上开孔，安装测压计。

4.2 倒虹吸管道实测数据整理

以2011～2013年5～9月较为完整的倒虹吸管道运行时实测数据，对该倒虹吸实测数据进行整理，分别绘出不同年份左右侧管道关闭和运行状态下管线沿程总水头线，如图1～图4。

图1 左侧管道全关时沿程总水头线

图2 右侧管道全关时沿程总水头线

图3 左侧管道运行时沿程总水头线

图4 右侧管道运行时沿程总水头线

由图1～图4可见，2011～2013年，虽然左右侧管道工作闸门关闭和闸门开启运行时沿程总水头线均不符合理论规律，但不同时间实测的沿程各测点压力波动分布规律基本一致，分析认为压力传感器测量系统在断电重启后读数归零引起的。

4.3 倒虹吸管道实测数据修正

针对不同年份不同管道，首先根据管道工作闸门关闭状态下的实测数据，将倒虹吸进口前水位作为基准值，将管道内10个测点压力分别加上一个修正值得到与进口前相同的总水头，对得到的各测点修正值进行平均，得到了不同年份不同管道各测点的初始压力修正值。利用各测点修正值对其相应年份的管道运行工况进行实测压力值修正，便得到管道运行工况下实际的沿程总水头线，如图5～图10。

图5 2011年左侧管道修正后沿程总水头线

图6 2011年右侧管道修正后总水头线

图7 2012年左侧管道修正后总水头线

图8 2012年右侧管道修正后总水头线

图9 2013年左侧管道修正后总水头线

图10 2013年右侧管道修正后总水头线

由修正后的沿程总水头线可见，2011年份，左右侧管道沿程总水头线基本呈下降趋势；2012年，右侧管道沿程总水头线也基本呈下降趋势，而左侧管道在9#测点以后，即在钢管段后总水头线分布杂乱无章；2013年未提供左侧管道工作闸门全关时的实测数据，故采用2011年左侧管道测点修正值，修正后沿程总水头线也基本呈下降趋势，右侧管道在钢管及其后管段部分实测数据本身就比较杂乱，故修正后的总水头线分布在前半部分呈下降趋势，后半部分仍杂乱。 由于该倒虹吸1#，2#，9#，10#，15#，16#测点为高精度脉冲压力传感器，即每根管道中有3个测点为高精度脉冲传感器，由原始数据也可看出，该3点数据均优于其他测点，因此，初始压力修正后利用1#～9#，2#～10#4个测点分别反算左右管道PCCP段糙率，用9#～15#，10#～6#测点分别反算左右管道钢管糙率。

4.4 倒虹吸管道水力学计算

该倒虹吸为有压管道，可利用进出口水位进行管材糙率反算。如式（1）：

式中 Re为雷诺数；v为管道流速（m/s）；d为管道直径（m），取3.1m；γ 为水流运动黏度（cm2/s），取0.0101 cm2/s。

式中 hf为管道的沿程损失（m）；λ为沿程损失系数；L为管长（m）；g为重力加速度（N/kg）；C为谢才系数；n为管道糙率；R为管道水力半径。

由式（1）计算PCCP和钢管内水流雷诺数，计算的每组工况下，管道内水流雷诺数均大于，由工程经验可判断，管道内为紊流粗糙区，因此，可采用式（2）～式（4）进行糙率反算。

管线沿程设有诸多进人孔、T形盲孔及管道连接头等，这些均可造成局部损失，该倒虹吸管道1#～9#，2#～10#测点间均设有13个进人孔及T形盲孔，9#～15#，10#～16#测点间也均设有13个进人孔及T形盲孔，计算时每个进人孔及T形盲孔局损系数均取0.01，至于管道连接头，由于数目未知，将其并入沿程损失中考虑。反算结果如图11～图21，并分别将PCCP和钢管糙率分布范围绘成饼状图如图22～图23，统计2011～2013年两种管材的糙率范围如表1。

图11 反算2011年左侧管道糙率

图12 反算2011年右侧管道糙率

图13 反算2011年左侧管道糙率

图14 反算2011年右侧管道糙率

图15 反算2012年左侧管道糙率

图16 反算2012年右侧管道糙率

图17 反算2012年左侧管道糙率

图18 反算2012年右侧管道糙率

图19 反算2013年左侧管道糙率

图20 反算2013年右侧管道糙率

图21 反算2013年左侧管道钢管糙率

表1 2011～2013年反算2种管材糙率值

图22 PCCP管道糙率分布

图23 钢管糙率分布

由图22～23可见，PCCP和钢管某一糙率出现次数占总次数的比例较为均匀。计算结果PCCP管材糙率0.0100～0.0130，平均可取0.0115；钢管糙率0.0095～0.0115，平均可取0.0105。在复核泄流能力时，为使计算结果偏于安全，PCCP管材糙率取0.0125，钢管糙率取0.0115。

5 结语

（1）2007～2011年实测数据较少，糙率散点分布集中性较差，2012年及2013年实测数据相对较多，糙率散点分布集中性也相对较好，其中2012年反算出的玻璃钢糙率0.011～0.012，2013年反算出的糙率0.0106～0.011。综合2007～2013年反算的管道某一糙率出现次数占总次数的比例如图16，0.0107～0.0112所占比例明显大于其他糙率所占比例，因此，对其加权平均后该倒虹吸管的沿程综合糙率可取0.0109。

（2）考虑该倒虹吸管材单一，选取管道全开运行时上下游水头差进行管道沿程综合糙率反算，反算时剔除进口、闸门槽、出口圆变方及出口处局部损失的影响，反算出玻璃钢沿程综合糙率（含管道接头）0.0106～0.012，根据某一糙率出现次数占总次数比例，对所占比例较大的几组糙率取加权平均值0.0109。

（3）对该大型倒虹吸管道（PCCP+钢管组合）2007～2013年实测原始数据进行了修正。最终得出PCCP管道糙率平均取值0.0115（含管道接头）、钢管糙率平均取值0.0105（含管道接头）。该糙率值可为高压力、大直径PCCP管及钢管道在大型倒虹吸工程的水力学计算中糙率的取值提供依据。

［1］魏昌林.以色列北水南调工程［J］.世界农业，2010（10）：29-30.

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（责任编辑：王艳肖）

The research of synthesis roughness calculation about Large inverted siphon pipe

LU Qiang
（Xinjiang Scientific Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

This article is based on the measured data of a siphon water supply project from 2006 to 2013 in Northern Xinjiang， the water pipe roughness inversion of the import and export of inverted siphon with statistical analysis method，the results are weighted average.Finally concluded that the PCCP pipeline comprehensive roughness value of 0.0115，steel pipe composite roughness value was 0.0105.The roughness values could be provided basis for hydraulic calculation of roughness values of high pressure，large diameter FRP pipe in large inverted siphon project.

cold region；large inverted siphon； PCCP pipeline；steel pipe；roughness

TV222

B

1672-9900（2017）03-0020-06

2017-03-08

路 强（1982-），男（汉族），甘肃武威人，工程师，主要从事水利水电勘测设计研究工作，（Tel）15276678190。