输水管道设计中的糙率选取问题研究.docx

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输水管道设计中的糙率选取问题研究

输水管道设计中的糙率选取问题研究

孙万功

【摘要】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.

【期刊名称】《太原理工大学学报》

【年（卷）,期】2003（034）003

【总页数】3页（P371-372，375）

【关键词】输水;管道;水力学;糙率

【作者】孙万功

【作者单位】水利部,山西水利水电勘测设计研究院,山西,太原,030024

【正文语种】中文

【中图分类】基础科学

第34卷第3期2003年5月太原理工大学学报Vol.34No.3May2003JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY文章编号：

1007-9432（2003）03-0371-02输水管道设计中的糙率选取问题研究孙万功（水利部山西水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）摘要2分析了目前输水管道设计中糙率选取存在的问题，提出了不宜选用羊一糙率进行管道水力学计算，而应综合考虑输水水质、水i豆、管材及制作工艺、管径大小等因素，i牟取能包络各种运行工况的一定范围的糙率上下F削盒，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s永生率中图分类号，TV134-2文献标识码zA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，因而存在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），输水流量达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。

2糙率问题分析收稿日期：

2002-12-112.1合理选取糙率的重要性在实际工程中，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［！

］为：

hvzL-c-CZR’C=l_Rt.n由式

（1）、式

（2）推得h,-nγL－一一只言式中：

he一一管道沿程水头损失；U一一管道水流平均流速；C一一谢才系数；R一一管道水力半径；n一一管道糙率；L一一管段计算长度。

（1）

（2）（3）从式（3）可知，管道沿程水头hr与v,n的平方成正比，当设计流量与管径初步确定后，则u与R即为定值，因此，管道沿程水头损失仅与糙率有关，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、技资增大外，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和工程安全都有着非常大的影响。

作者简介：

孙万功（1958－），男，山西万架县人，工程硕士生．高级工程师，从事水利工程研究工作．第34卷第3期2003年5月太原理工大学学报No.3May2003JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY摘要2分析了目前输水管道设计中糙率选取存在的问题，提出了不宜选用羊一糙率进行管道水力学计算，而应综合考虑输水水质、水i豆、管材及制作工艺、管径大小等因素，i牟取能包络各种运行工况的一定范围的糙率上下F削盒，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s永生率中图分类号，TV134-2文献标识码zA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，因而存在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。

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），输水流量达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，占小糙率时水头损失的27.7%，占此段管道总静水头的13.8%，这样糙率问题分析收稿日期：

2002-12-11在实际工程中，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［！

］为：

hvzL-c-CZR’C=l_Rt.n由式

（1）、式

（2）推得h,-nγL－一一只言式中：

he一一管道沿程水头损失；U一一管道水流平均流速；C一一谢才系数；R一一管道水力半径；n一一管道糙率；L一一管段计算长度。

（1）

（2）（3）从式（3）可知，管道沿程水头hr与v,n的平方成正比，当设计流量与管径初步确定后，则u与R即为定值，因此，管道沿程水头损失仅与糙率有关，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、技资增大外，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和工程安全都有着非常大的影响。

372第34卷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，长期运行的糙率则与输水水质、水温、结垢或挂藻程度有关。

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，会对工程造成浪费，投资效益不能充分发挥；上限选得过小，则达不到上述目的。

下限选得过大，则会将剩余水头算得偏小，下限选得过小，同样会对工程造成浪费，因为消能设施设·计的偏大会增加元效投资。

由此可以看出，糙率的选参考文献：

取看似简单，而实际上是一个比较复杂的问题，需要考虑各种因素、各种工况综合分析确定。

对于同一材质、同一制作工艺的管道，管径不同，糙率也不同，这是分析山东省水科所为山东电力管道工程公司生产的预应力钢筒混凝土管所作的水力摩阻试验资料时发现的，该试验分别对DN=1600mm和DN=BOOmm的两种管道进行了水力摩阻试验，试验管段长度均为40m.实验结果为：

DN=l600mm,n=O.0107,DN=BOOmm,n=O.012.由此可以看出：

管径小，n值大，管径大，η值小。

以往设计时不论管径大小，均采用同－n值，与实际情况有一定的偏差。

因此，在选取糙率时，还应考虑管径大小，大管径取小值，小管径取大值。

另外，随着生产工艺的不断改进，产品质量的提高，使得管道糙率有所下降，这点也值得注意。

应详细了解生产厂家的制作工艺、质量保证能力和调查已成管道工程的实际糙率情况，综合考虑上述几种因素，选取一定的糙率范围上下限值，作为水力学－计算的基本参数，进而计算并选择管径。

例如上述提及的万家寨引黄工程联接段在调研分析的基础上，综合考虑上述因素后，管道糙率选取上限值0.013，下限值0.012，试通水试验初步测得糙率接近0.012.4结论综上所述，输水管道的糙率选取，不宜选用单一糙率进行水力学计算，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。

本文就糙率选取的思路和方法进行了探讨性研究，具体选取时需根据具体情况综合考虑各种因素慎重选择，各种管材具体的定量化研究尚需进行大量的工作。

随着科学技术的飞速发展，新型管道不断推出，而新型管道缺乏糙率的实测数据，给设计人员带来一定的困难，建议有条件时进行原型水力摩阻试验，测得n值后，再选取糙率范围。

建成一项管道输水工程后，应结合通水试验，实测管道的实际糙率，以验证设计所选糙率下限值是否符合实际，同时积累资料，为以后的设计提供依据性资料。

[l]武汉水利电力学院水力学教研室编．水力计算手册［M］.北京：

水利电力出版社，1983:

36-39.（下转第375页）卷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，长期运行的糙率则与输水水质、水温、结垢或挂藻程度有关。

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～℃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。

针对输水管道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，会对工程造成浪费，投资效益不能充分发挥；上限选得过小，则达不到上述目的。

下限选得过大，则会将剩余水头算得偏小，下限选得过小，同样会对工程造成浪费，因为消能设施设·计的偏大会增加元效投资。

由此可以看出，糙率的选参考文献：

考虑各种因素、各种工况综合分析确定。

对于同一材质、同一制作工艺的管道，管径不同，糙率也不同，这是分析山东省水科所为山东电力管道工程公司生产的预应力钢筒混凝土管所作的水力摩阻试验资料时发现的，该试验分别对DN=600mm和DN=BOOmm的两种管道进行了水力摩阻试验，试验管段长度均为40m.实验结果为：

DN=l600mm,n=O.0107,DN=BOOmm,n=O.012.由此可以看出：

管径小，n值大，管径大，η值小。

以往设计时不论管径大小，均采用同－n值，与实际情况有一定的偏差。

因此，在选取糙率时，还应考虑管径大小，大管径取小值，小管径取大值。

另外，随着生产工艺的不断改进，产品质量的提高，使得管道糙率有所下降，这点也值得注意。

应详细了解生产厂家的制作工艺、质量保证能力和调查已成管道工程的实际糙率情况，综合考虑上述几种因素，选取一定的糙率范围上下限值，作为水力学－计算的基本参数，进而计算并选择管径。

例如上述提及的万家寨引黄工程联接段在调研分析的基础上，综合考虑上述因素后，管道糙率选取上限值0.013，下限值0.012，试通水试验初步测得糙率接近0.012.4结论综上所述，输水管道的糙率选取，不宜选用单一糙率进行水力学计算，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。

本文就糙率选取的思路和方法进行了探讨性研究，具体选取时需根据具体情况综合考虑各种因素慎重选择，各种管材具体的定量化研究尚需进行大量的工作。

随着科学技术的飞速发展，新型管道不断推出，而新型管道缺乏糙率的实测数据，给设计人员带来一定的困难，建议有条件时进行原型水力摩阻试验，测得n值后，再选取糙率范围。

建成一项管道输水工程后，应结合通水试验，实测管道的实际糙率，以验证设计所选糙率下限值是否符合实际，同时积累资料，为以后的设计提供依据性资料。

第3期崔末兰：

闰家沟渡槽桩基设计及稳定性分析375表1闰家沟渡槽桩基计算结果kN桩基上部排架类型及高度单排架（16m宽〉双排架（25m究〉A字~排架（34m宽〉字型排架（39m宽〉人工扩底桩d=O.8田，人工扩底桩d=O.8m,钻孔灌注桩钻孔灌注桩桩基类型及桩深D=2.om，桩深25mD=2.om，桩深25md=l.0m，桩深25md=l.0m，桩深25m桩数／根桩基竖向承载力设计值F,1969F‘1561基F,-YoF,252本组F,.,..2047£口当』1.ZF,-YoF,.,,.111F,1633地1.25F,-F.730震组F,,...2598J目,..1.5F,-F,.,,,,356负摩下拉衍载F•冽983阻力1.6F,-Yo（F,+l.27F•吵606结束语随着桩基技术的发展越来越趋于成熟，桩基础的应用也越来越广泛。

在湿陷性黄土地区这一特殊691830194014531501144923228934621672026202318860103155215981566735827859249022032557078639487051915.34681243的地质条件下，桩基的设计与施工，应综合考虑地质条件、上部结构类型、荷载特征、施工技术与环境、检测条件等因素，做到精心设计，严格控制施工质量。

[1]华南工学院，南京工学院，浙江大学，湖南大学．地基及基础［S］.北京：

中国建筑工业出版社，1985.[2]中国建筑科学研究院．中华人民共和国行业标准JGJ94-94，建筑桩基技术规范［SJ.北京．中国标准出版社，19g5_ThePileBaseDesignofYanjiagouAqueductandItsStabilityAnalyseCUI岛1o-lan（ShanxiWaterResourcesInvestigation&.DesignInstitute,Taiyuan030024China）Abstract:

YanjiagouaquductislocatedinNclasswetsubsidenceloessandVilclasserthquakearea,andishighlystandedabovetheearth.Optimumdesignwascarriedoutforitspilebasetoensuresafety,conviniencyandefficiecy.Keywords:

Yanjiagouaqueduct;pilebasedesign;load-bearingcapacity（编辑：

庞富祥）（上接第372页）RoughnessSelectionintheDesignofWaterConveyancePipeSUN飞离tan-gong（ShanxiHyr/.1·oelectricInvestigation&.DesignInstitute,Taiyuan030024China）Abstract:

Someproblemsofroughnessselectioninthedesignofwaterconveyancepipearediscussed.Italsoincludedtheviewpointthatasingleroughnessselectioninpipelinehydraulicscalculationisunsuitbleandthattheupperandlowerlimitsofroughnessconsideringvariousserviceconditionsshallbeselectedbasedonwaterquality,t巳mperature,siltconcentrationofthewaterconveyed,pipematerial,pipemanufacturingtechniquesandpipediameter,soastoensurethedesignflowcanbeachi巳vedduringlong-termoperationwithoutfailure.Keywords:

waterconv巳yance;pipe;hydraulics;roughness（编辑：

任万森〉3期崔末兰：

闰家沟渡槽桩基设计及稳定性分析表1闰家沟渡槽桩基计算结果人工扩底桩d=O.8田，人工扩底桩d=O.8m,钻孔灌注桩D=2.om，桩深25mD=2.om，桩深25md=l.0m，桩深25md=l.0m，桩深25mF‘1561F,-YoF,252本组F,.,..£口当』1.ZF,-YoF,.,,.633地震J目,..1.5F,-F,.,,,,356阻力1.6F,-Yo（F,+l.27F•吵结束语随着桩基技术的发展越来越趋于成熟，桩基础243的地质条件下，桩基的设计与施工，应综合考虑地质条件、上部结构类型、荷载特征、施工技术与环境、检测条件等因素，做到精心设计，严格控制施工质量。

[2]中国建筑科学研究院．中华人民共和国行业标准JGJ94-94，建筑桩基技术规范［SJ.北京．中国标准出版社，19g5_ThePileBaseDesignofYanjiagouAqueductandItsStabilityAnalyseCUI岛1o-lan（ShanxiWaterResourcesInvestigation&.DesignInstitute,Taiyuan030024China）Abstract:

YanjiagouaquductislocatedinNclasswetsubsidenceloessandVilclasserthquakearea,andishighlystandedabovetheearth.Optimumdesignwascarriedoutforitspilebasetoensuresafety,conviniencyandefficiecy.Keywords:

Yanjiagouaqueduct;pilebasedesign;load-bearingcapacityRoughnessSelectionintheDesignofWaterConveyancePipeSUN飞离tan-gong（ShanxiHyr/.1·oelectricInvestigation&.DesignInstitute,Taiyuan030024China）Abstract:

Someproblemsofroughnessselectioninthedesignofwaterconveyancepipearediscussed.Italsoincludedtheviewpointthatasingleroughnessselectioninpipelinehydraulicscalculationisunsuitbleandthattheupperandlowerlimitsofroughnessconsideringvariousserviceconditionsshallbeselectedbasedonwaterquality,t巳mperature,siltconcentrationofthewaterconveyed,pipematerial,pipemanufacturingtechniquesandpipediameter,soastoensurethedes