管道水力摩阻系数的敏感性分析

郭永鑫，郭新蕾，杨鹏志，付 辉，王 涛

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点试验室，北京 100038；2.河北水利电力学院，河北 沧州 061001）

1 研究背景

管道输水具有效率高、环境影响小、拆迁占地少、运行调度安全可靠、维护管理简单等特点，广泛应用于城市给排水、农业灌溉、跨流（区）域调水等水利工程中。管道水力计算公式及其摩阻系数的合理选用是流体输送工程设计的关键，其选取合理与否直接影响水力计算成果的精度，进而影响工程的总体布局、设计规模、投资乃至运行费用。现有规范和工程设计常用的水力计算公式及相应的摩阻系数有［1-2］：达西-魏斯巴哈（Darcy-Weisbach）公式和达西摩阻系数λ，海森-威廉（Hazen-Williams）公式和海森-威廉系数Ch，谢才-曼宁（Chézy-Manning）公式和曼宁糙率系数n。

大量研究和工程实践表明水力摩阻系数不仅与管道内壁的粗糙度有关，而且受管径D、流速V、水流黏滞系数ν等的影响［3-4］。然而，国内现有规范给出的摩阻系数取值范围较宽，对摩阻系数影响因素的考虑不全面，导致工程设计，尤其是大口径输水管道的摩阻系数精确取值困难，部分工程的水力计算误差较大。例如，新疆北疆供水工程小洼槽倒虹吸，采用DN3100 玻璃钢夹砂管，曼宁糙率系数设计值n=0.0090，工程运行后实测n=0.0106，比设计值大18%，导致上下游进出口水位差比设计值增加0.6 m，不能满足设计输水流量要求［5］；三个泉倒虹吸采用钢管和PCCP 管的组合方案，其中DN2700 环氧内衬钢管的曼宁糙率系数设计值n=0.0120，实测n=0.0098，比设计值小23%，DN2800PCCP 管道的曼宁糙率系数设计值n=0.0135，实测n=0.0108，比设计值小25%，实际过流能力大于设计值，原设计方案偏于保守［6］；……