重力输水管道水压线的确定方法探讨

摘要：对重力流管道水压线的确定，应该从下游向上游计算，若采用从上游向下游计算，有时会出现错误的结果。

关键词：重力输水 水压线 消能井

在重力输水管道设计时，管道纵断面设计图中要求绘制水压线。目前在重力输水管道的计算中，有些设计和审查人员中存在着错误认识，在重力输水管道的计算中流行着‘从上游向下游计算’的计算方法，这种计算方法用在确定为压力流管道的计算中，无疑是正确的，但是用在重力输水管道中，容易导致错误的计算结果。为了设计和审查工作的顺利进行，有必要在这个问题上统一认识。

一、管道水压曲线计算的依据简述

水压线计算的任务，就是将输水管道分为若干计算段，计算各计算管段的水头损失。从已知计算点的水头加上（或者减去）这段的水头损失，计算出下一计算点的水头。将这些水头连线，就是水压线。

图1

二、从上游向下游计算的误区

现在就用计算有压流水头损失的公式，从上游向下游逐段推算的方法计算水压线。当调整管径，使得上游起点与下游终点之间的水头损失与地形高差相等时，这种算法的结果与从下游向上游推算的结果是一样的，不会出现问题。但是，当水头损失小于高差时，也就是所谓在大管径小流量的状况下复核计算时，如果仍然采用这种方法，就会走入误区。大管径小流量的情况，在我们的设计中常常遇到。一种是因为设计人员往往无法将管径选定的恰到好处，一种是有意适当加大管径，留有余地。

在这种情况下水压线的末端，有一个H高度的压力水头。如果末端没有闸阀控制（一般在重力输水管道中不设置这个闸阀，以免成为事故的隐患），这就是一个错误的水压线图形。当流量较大时，由于水头损失较大，管网末端压力水头还不算大，错误表现的还不够明显。但随着流量不断减小，错误就明显表现出来了。可以设想，当管道通过极小的流量时，按照这种计算方法，水头损失将趋近于零，而管网末端压力水头将会接近于静水压力，这就不能说不是一个严重的问题了。现在众多的设计，大都没有按照规范的要求，逐段设置减压井。数十公里的管道，几百米的落差，一直将水送到了下游。按设计流量计算发现不了问题的严重性。用极小的流量进行验算，反而会在末端出现几十乃至几百米水头的压力，如果计算正确，管道不知爆管多少次了。但事实却并非如此。极小的流量，只会在管道内顺着管壁淌下来，在末端也只能是稍有积水。

西宁供水集团第五水源地距离城市中心25公里，25公里的管道，有110米的自然落差，管道已经于80年代铺设完毕，并且通水运行将近30年。根据水厂的设计规模，确定水厂设计产水量7.0万m³/d，确定水源输水管道的管径为DN1000，管道沿线未设消能井。由于管道直径选择的大了一点，本人用这种从上游向下游计算的方法，在设计流量下，算出城市入网点压力水头为83m，可入网点处实际连一般多层建筑30米自由水头的水压要求都满足不了。足见这种计算方法的谬误。

为什么这种算法是错误的，它错在那里？本文将予以分析说明。

三、重力输水管道的特点

重力输水管道依靠重力的作用，实现水的输送。它往往表现为距离长，高差大，从引水口到供水区的高位水池，往往落差达到数百米，平均纵坡往往在2%以上。这时，必须注意大落差输水管道的安全问题。按照《农村给水设计规范CECS82：96》的规定，‘重力输水管道，地形高差超过40m，应在适当位置设置跌水井或减压井，以保证供水安全。’这样，输水管道就被消能井分为若干两端具有自由水面的管段。以下取出两个消能井之间的管道加以讨论。

四、水压线的分析

一般的地形条件，纵向坡度是不断变化的，为了容易理解问题，我们先将其纵向坡度简化为全段均一的情况加以分析。

从理论上说，在两个消能井之间的高差、距离以及设计流量确定的情况下，能够选择一种管径（或者两种管径配合使用），使两个消能井之间的地形高差与两个消能井之间管道的水头损失相等，这将是最经济的设计结果。如果全段管径相等，其水压线就是两个消能井自由水面的连线。

这时，如果改变流量为较小的值、或者流量不变而加大管径时，其水头损失就会比高差小。

五、由下游向上游推算水压线的几个不同情况

自然地形常常不会是均一的坡度，往往有坡度的起伏，我们只要按照各计算点的实际高程进行计算即可。与均匀坡度没有什么本质的区别。其计算结果可能出现以下几种情况：

第一种情况：所有计算点的水压高程都比管顶的高程高，最后在计算管段上游起点的水压高程仍然大于管顶高程，但小于消能井的溢流孔高程，那么全部管道都处于有压流状态。这也是最经济的设计结果。

第二种情况：与第一种情况相同，但在计算管段起点，水压高程大于溢流孔的高程，这就表明，现有的条件，不能通过设计流量。解决的办法是或者升高溢流孔的高程，或者加大部分管道的管径。西宁市第六水源由于在上游沉砂池选用管径偏小，使得在没有达到设计流量时出现溢池情况。

第三种情况：起点和终点的水压线与第一种情况相同，但有若干个计算点有水压高程小于管底高程的情况。对这种情况，应该从计算管段最下游向上游检查，凡是计算点的水压高程低于管底高程的情况，我们都可以认为其处于无压流或半有压状态。

管道中的坡度变化较频繁、较大时，管道中的流态将会出现复杂的情况。在平缓的管段可能会出现压力流，陡坡段可能出现无压流，即所谓‘无压流压力流交替出现’。设计中要尽量避免这种情况，特别不要出现正负坡度的交替现象，否则就要在反坡始端设置排泥井。总之，应该尽量使整个管道处于压力流状态为好。

六、管道内流态的判别方法

仍以西宁第五水源为例，在Q设=810L/s的条件下，为什么从上游向下游计算，会出现入网点83m水头的错误结果呢，就是因为管道内明明有无压流，却错误地用压力流的计算公式去计算，而且不加纠正，积累到最后，成了83m水头的错误结果。

那么，对于已经建成的管道，或者已经设计完成的管道，我们如何判定在各种流量下，管内水流的流态呢？除了上述从下游向上游计算的方法本身已经同时具备判别管内流态的能力以外，还可以用管道压力流和无压流（及半有压流）临界状态的最大的过水能力作为判断。

以上述西宁第五水源DN1000管道为例，经计算，原设计流量7万m³/d时管道充满度为0.53；使得管道全程水头损失恰好等于管道两端的水头差的流量是1590L/s。只有当流量等于或者大于1590L/s时才会全程是压力流，才能用从上游向下游计算的方法计算水面曲线，而且与从下游向上游计算得出同样的结果。如果还要加大流量，必须加大上下游水位差，即提高进口处的水位，或者降低出口处的水位。

而当流量小于1590L/s时，总水头损失就会小，管内就会出现无压流或者半有压流，这时，就再也不能用从上游向下游计算的方法，计算水压曲线。

现在相当普遍地流行着一种重力输水管道的设计方法，他们采取从上游向下游计算的方法，还说：“算出的末端水头如果较大，可以调整管径，使得末端水头不要过大，但也不要过小，‘适当’即可。”究竟多少为‘适当’？他们自己也说不清。他们没有搞清楚或者不愿意承认管道内还会有无压流和半有压流的流态，非要坚持说自己是正确的，并且用这样的观点审查设计，指导设计，这只能使人无所适从。

用这种方法设计管道，其管径总是偏大。

七、小结

在设计重力输水管道时，如果不能确定管道内为压力流，必须采取从下游向上游计算的方法，只有确定为压力流的管道，才能使用从上游向下游计算的方法绘制水压线。如何判断重力输水管段的流态呢？可以计算该管道的最大过水能力，凡是等于或者大于过水能力的流量，管道内就会是压力流，凡是小于过水能力的流量，在管内就会有无压流或半有压流。

重力输水管道的设计和计算，直接涉及管道经济断面的选择，以及对于管道水流流态的正确认识和判断，水压曲线的绘制又是设计文件中不可缺少的部分。我们要提倡在给水设计中尊重科学，不能用错误的观点去压制别人对管道内流态的正确认识，不能在设计文件中出现错误的水压线计算结果。