大口径给水用抗冲改性PVC-M管在农田水利灌溉中的应用

李东平

(中铁十四局集团电气化工程有限公司，济南 250014)

0 引 言

由于我国幅员辽阔，各地区的水资源分布呈现出极大的不均匀性，因此农业用水的输送就成为了亟待解决的问题。我国对于水资源贫乏区域的农业用水主要采用管道输送的方式，即将水资源泛滥流域的水通过长距离管道输送到水资源短缺的流域，这样不仅可以减少被输送区域泛滥的水资源，另一方面还可以解决输送区域的缺水问题。在水利灌溉管网中，由于重力加速度的影响，管壁内部的水流通常具有一定的冲击力，会对管壁造成压力。因此，管网内部经常会出现阻力损失，尤其是弯头部位。由于阻力特性的影响，该区域受到的水流阻力远远大于其他管壁处，也是管道内部最易损坏的区域。为减少管壁压力，本文设计大口径给水用抗冲改性PVC-M管在农田水利灌溉中的应用方法。

文献[1]以长距离的输水管道压力出发，在跨流域调水工程中提出了管网的综合设计方案，促进了我国的水利工程应用设计。文献[2]通过Flowmaster仿真软件，模拟了输水管道在分叉型案例中的数值关系，分析输水管壁的孔隙大小、分叉角度、管壁泄流特性等参数，将阀门末端的压力参数转化为衰减速度不一致的分叉泄流重力，促成了压力幅值关系式的完善。文献[3]结合三维图形技术，避免了压力信号对外界造成的影响，并将管道压力转化为衰减波，完成了图形图案的信号转化。本文基于以上文献，综合分析PVC-M管的管壁厚度以及弯头角度对管壁冲击力的影响，并提出可以减缓管壁压力的管网设计方案。

1 大口径给水用抗冲改性PVC-M管在农田水利灌溉中的应用研究

1.1 建立大口径给水用PVC-M管道水力方程

聚氯乙烯(PVC)材料是我国使用最为广泛的一种塑料材料，该塑料制品制作成的管材在建筑、工业、农业等诸多领域均有十分广泛的用途[4]。在计算PVC管道内的水力损失时，可以将沿水头方向的损失系数作为水利分区的求解公式：

(1)

式中：Gf为液体在管道内从一个方向流向另一个方向的动能；Qf为长距离输水系统内，稳态状态下的节点能量；gw1-i为测压管水头自第1个节点向第i个节点的长距离输水线；ΔPi为水流动能的功率差；Δt为水流在管道内流动的总时间；vi和vf分别为弯头两侧的水流流速；Di和Df则分别为弯头两侧水压；zi为节点管线瞬变流初值；di为单管输水流量[5]。

此时可以依据差值矩形网格(图1)，计算未知量的基本边界条件。

图1 差值矩形网格

图1中，在求解未知量的近似值时，将初始时刻O作为均值的边界点，将B点作为管路的瞬变流端点的一端，将A点作为瞬变流端点的另一端，以C为端点的稳定状态的顶点[6-7]。将管路中的阀门作为内边界，可以得到阀门孔口流动示意图，见图2。

图2 阀门孔口流动示意图

图2中，左侧的A区域表示阀门前方的管线孔口，右侧的B区域表示阀门后方的管线孔口，上方的C1和C2区域表示阀门中心的孔口。此时孔口内正向流动的水资源流量模型为：

(2)

式中：YC1和YC2分别为接近阀门前端与阀门后端的水头流速；Fc和Fk为阀门中心孔口位置的边界参数；WC1和WC2分别为管道上游与下游在节点处的流量；λf为水与管道的摩擦系数；F0为水灾管道内的碰撞边界条件；ΔY0为管道阀门前端与后端水头流速的差值[8-9]。

基于以上方法，可以建立一个大口径给水用PVC-M管道水力方程。

1.2 计算农田水利灌溉流量

现代的农业生产活动，在保证产量的前提下，离不开水利灌溉。而在水利灌溉过程中，就一定会使用塑胶管道作为水资源的运输通路。在保证省时、节水、节能的基础上，大口径给水管在农田水利灌溉中已经得到广泛的应用。使用大口径给水管道灌溉农田，需要提前计算好农田水利的灌溉总量，以制定因地制宜的灌水方案，既能够保证农田水利灌溉的有效性，还可以在一定程度上保护大口径管道，延长其使用寿命[10-11]。灌溉前，需要提前确定好当地的气候条件、土壤环境、农业技术以及作物种类，再以此计算本年度需要在农田中灌溉的水量多少以及最佳的流量单位，制定好灌水方案，包括灌水次数、管道流量、灌水定额等。见表1。

表1 农田水利灌水参数

根据表1中的农田水利灌水参数，可以得到灌水次数、管道流量、灌水定额的计算公式：

(3)

式中：Wg为灌水定额；fg为一年内的灌水次数；Qg为管道流量；Hp为干层土壤与湿润土壤的容重比；αmax和αmin分别为当地土壤含水层的上限与下限；Et为该农作物种类在一段时间内所需要的灌溉水量；kn和Nd分别为该管道控制范围内的灌溉水口数量与整个系统的灌溉水口数量；Q0为系统的总水流量[12]。

通过式(3)，可以直接得到农田水利灌溉流量以及大口径给水管所承受的压力。

1.3 设计大口径给水管网布设方法

设计大口径的给水管网络，需要选择与布置相符的管径与材料。本文使用的是给水用抗冲改性PVC-M管，具备优秀的负载能力与抗开裂能力，同时还有强大的抗冲击性与坚韧性。这些性能体现在灌溉水管上，可以延长给水管的使用寿命，保证农田水利工程不需要经常更换管路以及开挖施工，极大地提高了PVC-M管的经济效益[13-14]。在给水管网内部，弯头连接处是最易受损的部位，为更好地保护大口径给水管的安全性能，设计图3所示的技术路线。

图3 数值模拟方法

图3中，将弯头连接分为90°弯头与45°弯头两种，除此以外还有135°弯头、60°弯头、25°弯头等少数角度，本文不作论述。建立不同角度管壁的水力冲击模型，并相应地设定边界条件。分别在该模型下计算局部阻力系数、水流能量损耗、管径比与阻力系数之比、弯头处能量损失等，然后通过以上公式总结阻力规律，得到最终的数值模拟解析值[15]。基于该方法，可以基于任意条件得到大口径给水管网的布设方法。

2 实例分析

2.1 工程实例方案

引大济湟工程主要是从大通河中将水资源引入湟水之中，是十分典型的跨流域水资源调用工程，目的是将水资源较为丰富区域的水流通过管道传输到水资源较为贫瘠的区域。该工程主要包括“一总、两库、三干渠”，年调水量可以达到 7.5×108m3，工程完成后，可以在黄河流域完成超过6.667×104hm2田地的灌溉。在该工程中，水资源的运输主要通过大口径的给排水管道。本文使用大口径给水用抗冲改性PVC-M管作为水资源流动的载体，通过计算管网水力的安全与经济，尽量减少水资源在管道内的能量损耗以及连接处的冲击力。尤其是在管道的弯头处，由于调动水资源的管道经常会出现一些分支或转弯，以改变水流方向，因此大口径给水用抗冲改性PVC-M管中的弯头是必不可少的，此处也是该管道中最易受到力学冲击的地方。

在该工程实例中主要存在两种转弯趋势，分别为90°角和45°角。为测试两种转弯处的弯头受力结果，布置图4所示的弯头试验方案，分别对90°弯头与45°弯头进行受力效果的分析。

图4 实验场地布置

在实验布置图中，有两个水资源的存储池，其一为恒压水池，位于试验场地的上游，通过保持水池压力的恒定，令水流以相同的压力不间断地流向止水阀方向。经过电磁流量计后，两侧此时水流速度及其他参数，分别通过90°弯头与45°弯头。然后通过一段回流的管道流向蓄水库，在此管道上有一个水流数据采集装置。水库位于试验场地的下游，其中的水资源通过水泵回流给初始的积水池，令积水池内的水保持对下游压力的恒定性。

2.2 数值模拟与模型计算

为减小上下游边界对计算区域的影响，不仅需要在弯头与电磁流量计前方放置一个止水阀，还需要采用GAMBIT软件，通过数值分析的方式，划分两种弯头模型的网格结构。在四面体网格元素内，使用Tgrid作为流体流向的压力格式。通过网格的数值模拟，可以得到流体在弯头阶段的压力损失位置，因此需要在弯头附近加密模型数据，以保证其计算结果的准确性。由于在引大济湟工程中使用大口径给水用抗冲改性PVC-M管道，因此水流管道的口径最小为110 mm，为对比不同口径对流体流动参数的影响，将管道的口径设置为110、130、150和190 mm。其中，DN110弯头模型所生成的网格数量为42.3万，DN130弯头模型生成的数值模拟网格数量约为49.6万，DN150和DN190弯头模型所生成的数值模拟网格数量分别为56.5万和71.2万。读入网格文件，并计算其FLUENT解析式，选择压力求解器作为隐式算法的三维模型。若绝对速度不支持近壁区壁面的平均水流速度，则管道壁面可以设置为自由出流的模式，即outflow。若绝对速度支持近壁区壁面的平均水流速度，则管道壁面需要设置为定向出流模式，即wal1。

在特定的管道内，阻力系数一般与水的流动形态有关，分别测试弯头上下游管道内的几个断面，并分别称之为上游断面、中间断面、下游断面，见图3中传感器测量的3个节点所示。其中各测点的压力精度均采用0.1%的硅压阻压力传感器，实验前需要首先标定压力传感器的度数，在保证数据采集精度的前提下，稳定电源电压。在计算流体阻力时，需要首先计算局部阻力系数，并将阻力系数与流体模型相连接，得到雷诺数的参数特性。计算每个断面的能量损失，方程为：

(4)

通过以上公式与模型，模拟不同弯头下雷诺数与局部阻力系数的关系，并得到在90°弯头与45°弯头下的最佳管径。

2.3 局部阻力系数数值模拟

水温越高，水分子运动速度越快，对管壁的冲击力就越大。因此，选择20℃作为本次实验的温度，计算4种管壁直径下局部阻力系数，数值模拟结果见图5。

图5 不同管径弯头下局部阻力系数

在90°弯头的数值模拟中，所有口径下局部阻力系数均以相同的趋势变化。随着雷诺数的增加，局部阻力系数逐渐趋向于平缓，且各管径之间的最终数值差距较小。局部阻力系数越大，证明该断面处能量损失越少，即管壁压力较小，且90°弯头在同等管径下所得局部阻力系数明显大于45°弯头。因此可知，水管中的水在DN110的管壁中运动造成的能量损失大于DN190管壁。可见在农田水力灌溉过程中，可以尽量选择口径较大的水管，并在安设农田水利灌溉管网时，尽量布设直角弯，使用90°弯头。

3 结 语

本文论述了大口径给水用抗冲改性PVC-M管在农田水利灌溉中的应用方法，分析了不同口径以及不同弯头角度的管壁对水流冲击作用的抵抗能力，依据水力方程以及农田灌溉公式，得到了针对大口径给水管网布设的数值模拟方法。在实验中，综合对比不同管壁直径以及弯头角度下管径中受到的应力，分析最佳布设角度。通过本文方法，能够大幅度增加大口径给水管的使用年限，增大其寿命，减少施工成本。