贵州山区输水管道局部水头损失计算方法探讨

徐言志

（贵州新中水工程有限公司，贵阳550001）

贵州境内高原山地居多，输水建筑物受地形地貌条件限制主要采用管道为主，且管线走向蜿蜒曲折，起伏较大，管线水力计算是否准确可靠对工程输水能力确定、工程效益发挥和运行安全均十分重要［1］。管道水头损失是前期勘察设计管网分析的关键内容，包括沿程水头损失和局部水头损失。其中，沿程水头损失是克服管线摩擦阻力而损失的水头，其计算理论推导和方法已较为成熟，计算成果也较准确可靠。而局部水头损失，根据现行规范及相关文献，通常按沿程水头损失的5%～10%进行估算［2］。但从工程实际测试数据表明，受贵州山区特殊地形地貌条件影响，按比例进行局部水头损失估算，与工程实际匹配性较差，依此进行建筑物布置和结构设计往往不能满足工程实际应用需求。为准确计算管道水头损失，合理确定管网管道直径、壁厚、提水扬程等特征参数，以瓮安塘坎上水库输水管线为例，采用两种方法对输水管网总干管局部水头损失进行计算，并结合其他工程水力计算成果进行论证分析，优选与贵州山区特殊地形地貌相匹配的局部水头损失计算方法，为长距离输水管网工程顺利施工建设和功能效益发挥提供重要技术保障。

1 工程概况

塘坎上水库位于瓮安河干流中下游河段，为Ⅲ等中型水库。工程任务为工业供水及灌溉供水，其中：灌溉受水区主要分布在坝址下游左岸，为金钟村、麻池村、官塘村、磨坪村、尖坡村，分布高程为770.00～855.00m。总干管的起点为灌溉供水出水池，正常水位875.00mm，终点为增武山高位水池。灌溉供水管总干管布置为灌溉供水出水池→马渡河→春菜塆→朝兜→金钟→朱家湾→反水→亭子坑→石观音→麻池→龙井湾→大窝氹→合家坳→桂林坝→磨坪坝→平庄→坪子→增武山。灌溉管线根据用水区位置，末端设高位水池。管道铺设根据地质情况分段采用埋管、隧洞过流方式，纵向线路大部沿公路外侧布置，局部沿等高线布置。除桩号0+342.66～桩号0+707.18段为隧洞输水外，其余均采用球墨铸铁管供水，管径为DN1000～DN400不等。

2 管道局部水头损失分析方法

贵州山区特殊地形地貌地区的复杂灌溉管网，其管道局部水头损失影响因素较多，为使分析结果更贴切工程实际，探讨采用两种方法进行对比分析，即：第一种方法按现行规范经验比例取值，先计算沿程水头损失，然后按沿程水头损失值的5%～10%进行估算；第二种方法根据工程实际布置情况，结合局部损失特性，分段独立计算后求和。

2.1 经验估算取值

根据SL687—2014《村镇供水工程设计规范》，输水管线沿程损失是克服管线摩擦阻力而损失的水头，其计算公式为［3］：

式中 L为管段长度（m）；i为单位管长的水头损失（m）；C为海曾威廉系数，其中塑料管取140～150，钢管等金属管和混凝土管取120～130；Q为管段流量（m3/s）；d为管段管道内径（m）。

局部水头损失按照沿程水头损失的5%～10%进行估算［4-5］，塘坎上水库按10%取值。

2.2 逐段计算求和

输水管线沿程水头损失采用式（1）计算，局部水头损失hj则根据SL482—2011《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》［6］中公式进行计算，即：

式中 v为管段流速（m/s）；φ，φi为管道出口及发生局部阻力损失部位的断面面积（m2）；ξi为发生局部损失断面处的水头损失系数。

塘坎上水库输水管道水头损失按照相同管径分段进行计算，因此管道出口断面面积和局部阻力损失处的相应断面面积一致。另输水管线较长，管径变化位置也较少，式（2）中只考虑弯管的局部损失系数。输水管道的弯道水头损失系数ξi与拐角θ，拐弯半径R及管道内径d有关，根据SL482—2011《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》［6］可查出对应值，并按式（2）可计算出局部水头损失。

3 管道水头损失计算成果分析

根据SL687—2014《村镇供水工程设计规范》和SL482—2011《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》要求，结合塘坎上水库输水管网特性，按上述两种方法计算得输水管线分段管道局部水头损失分析成果，如表1。

表1 分段管道局部水头损失分析成果

续表1

从表1分析可知：等长度转弯角较多，转弯角度越大的情况下，局部水头损失越大。桩号5+253.00～5+660.00段，管线单位长度管道转弯角度最少，且角度不大，此段计算出的局部水头损失为沿程水头损失的5.46%；桩号0+000.00～0+342.66段，管线单位长度管道转弯角度最多，且角度较大，此段计算出的局部水头损失为沿程水头损失的42.62%。塘坎上水库输水管道采用第2种方法计算出的总局部水头损失为沿程水头损失的13.79%，超过10%的经验值，不能满足实施阶段输水建筑物布置要求。

4 典型工程论证分析

由于贵州山区输水管道局部水头损失影响因素较多，为使分析成果更具可参考性和应用推广性，选择具有区域代表性的典型水库输水管道，按第2种方法对管线的局部水头损失进行计算和汇总分析，如表2。

表2 典型工程管道局部水头损失分析成果

从表2可知：黎平县长溪水库南2支管局部水头损失达到沿程水头损失的23.46%，而威宁县川洞海子水库迤那输水管局部水头损失仅为沿程水头损失的5.2%。结合工程具体布置可以得出：当工程输水管线走向平缓顺畅、无较大起伏，布置条件较好的管线其管道局部水头损失偏小，采用5%～10%进行估算，其局部损失与工程实际较为匹配，能够满足实施阶段输水建筑物布置要求；而当管线布置剖面起伏范围较大、安装转弯点较多且角度较大，布置条件较差的管线其局部水损较大，采用5%～10%估算的结果与实际相差较大，尤其是长距离大流量输水管道，情况严重时会影响到工程正常建设和功能效益发挥，应按“逐段计算求和”法准确合理地计算输水管道局部水头损失。

5 结语

如何较为准确计算输水管道的局部水头损失，不仅是管网设计计算的主要内容，同时也是保证工程顺利建设和功能效益发挥的技术关键。结合实际工程计算成果论证分析，主要获得以下结论，即：

（1）贵州地处高山丘陵地带，输水管线受地形条件限制，管线走向较为蜿蜒曲折，起伏较大，局部水头损失受地形影响突出。

（2）当输水管线局部段转弯点较多且角度较大、管线布置剖面起伏范围较大时，如局部损失仍根据SL687—2014《村镇供水工程设计规范》要求，按沿程水损的5%～10%进行估算，则水力计算结果富裕水头较小，容易出现后期施工图设计不能满足输水建筑物布置要求、实际输水流量小于设计流量或水流不能联通等问题。

（3）对于地形条件简单、管线走向平缓顺畅、无较大起伏、布置条件较好的输水管线工程，建议采用5%～10%经验值进行估算；而对于地形条件复杂、输水线路起伏较大、拐弯点多且角度大的管线，建议按管线具体布置采用逐段计算求和，使局部水头损失计算更科学合理、准确可靠，保证工程的输水能力和功能效益发挥。