辛拯PCCP输水工程的几个设计问题.doc

PAGE  PAGE 9 PCCP输水工程的几个 设 计 问 题 辛 拯 随着经济社会的发展，我国的长距离输水工程得到了快速的发展，近年来，我国建成或正在建设着许多长距离输水工程。工程建设领域的这一新的工程建设项目的出现，既是一种机遇，也是一种挑战。广大设计人员抓住机遇，迎接挑战，积极探索和研究设计中出现的诸多新的问题，确保了为用水户保质保量长寿命安全供水的目的。 当用水户的需水量被确定，设计人员在设计输水线路时，要对供水水源，输水管线，输水管线的控制阀、组合式空气阀以及调节水库等，进行一系列的分析计算、判断与布设，以使供水水质、水量保证，输水线路运行安全、方便，满足用水户的要求。 本文不打算全面地叙述长距离输水管线的全部设计问题，仅想就几个设计问题谈谈个人的一些看法，也介绍一些信息，不妥之处，敬请指正。 一、管道水力计算 管道水力计算是输水工程设计中的重要内容。水力计算的目的，一是使管道输水任务的各项指标的预报尽量接近工程建成后的运行实际，或者适当留有余地，二是保证管道在各种工况下的运行安全。最终达到用水安全、工程规模合理的目的。 管道水力计算有达西-威斯巴赫公式，汉森-威廉姆斯公式和曼宁公式等可供选用，但，达西-威斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式是经受了历史的考验，国际所公认，现时最常用的管道压力流计算公式，是本次讲的重点。 1. 国际通用的Darcy-Weisbach 公式：国际通用式有两个基本特征：一是达西摩擦系数f值是由穆迪图或相应的解析式计算；二是管壁的粗糙程度不再使用无量纲的“糙率”，而是用一个带量纲的“粗糙高度”（公制单位：mm）表示。 19世纪，这个公式以法国的达西（Henri Philibert Gaspard Darcy） 和德国的威斯巴赫（Julius Weisbach）两个工程师的名字命名后，又有许多科学家和工程师，主要围绕公式中达西摩擦系数f的计算，进行了许多研究，为这个公式做出了贡献，形成了今天国际应用的用穆迪（Moody）图或相应的解析式求解达西摩擦系数f的达西-威斯巴赫公式。公式中的达西摩擦系数f是管道流速、管径、管壁粗糙高度和粘滞性运动系数的函数，管壁的粗糙程度不再使用无量纲的“糙率”，而是用一个带量纲的“粗糙高度”表示。使达西摩擦系数f的计算，不但能反映管径对水力计算的影响，而且，也能反映不同流态（层流、过渡状态以及紊流等）对水力计算的影响。 对于混凝土管和钢管等的粗糙高度值，美国等国家已进行了试验并提出了设计推荐值，可供设计使用。 2.我国的管流计算，也使用达西-威斯巴赫公式，但达西摩擦系数f（国内习用λ表示）的计算，一直沿用安托万·谢才（Antoine Chézy）在1770年左右，根据明渠均匀流理论的基本概念提出的公式： f = 8g／c2（c由无量纲的“糙率n”计算）计算。只要我们稍微研究一下管道水力计算和达西-威斯巴赫公式的发展历史，就不难看出，我国习用的用谢才公式计算达西摩擦系数f的达西-威斯巴赫公式，是其发展过程中一个发展阶段的计算公式，与现时所用的求解达西摩擦系数f的计算公式相比较，是相对滞后的。 Moody 图 3. 我国常用的管道水力计算 ①达西-威斯巴赫公式： 式中c由“糙率”n常用的计算公式确定。 ②糙率n的选择：糙率n选择的合适与否都直接影响到计算结果是否能反映工程建成后的运行实际的问题。工作中要注意两个问题：一是最好用雷诺数判断一下，使管流处于紊流状态；二是n值选择时，要把试验值和工程使用值区分开来；对于PCCP， n=0.011是试验值，用于工程时应乘以一个系数。山西引黄工程联结段取用的PCCP工程使用值是0.012～0.0125，美国的混凝土管的n值是0.012～0.013。 ③管道流速控制：管道流速一般控制在3m/s以内。这是个可接受的流速。 二、水锤问题 1. 管道内压 工作内压Pw： Pw = max（由水力坡降线确定的内压，静水压）； 瞬时内压Pt： Pt = max（0.4 Pw，40psi［276kPa］）……（*）； 现场试验内压Pft：Pft = 1.2Pw 。 2.水锤压力 水锤分析是管道水力设计的重要内容之一。水锤压力即瞬时内压力Pt，Pt是指由于管内流速急剧变化引起的超过管道工作内压Pw的部分。如果买方没有对水锤压力提出专门的要求时，设计单位将：①按式（*）确定Pt值，提供给制造商进行PCCP管道的结构设计；②根据已确定的Pt值，进行水锤计算。例如，如果用延长关阀时间解决水锤问题时，就是要反算关阀时间等等。 3. 水锤计算中几个值得商榷的问题 ①阀的