1、職業教育水利水電建筑工程專業水力分析與計算總水頭線與測壓管水頭線繪制注意問題水力分析與計算項目組2015年3月有壓力管道總水頭線與測壓管水頭線繪制摘要：壓力管道測壓管水頭線繪制是有壓管道布置設計時要考慮的重點內容，繪制測壓管水頭線目的、壓力管道進出口不同邊界條件下總水頭線與測壓管水頭線繪制及如何判斷管路負壓這些問題是學生學習此部分搞不清楚易出錯的地方，為此對有壓力管總水頭線與測壓管水頭線繪制進行詳解，供學生參考。關鍵詞：壓力管道；測壓管水頭線繪制；總水頭線繪制；負壓判斷1. 測壓管水頭線繪制目的我們知道有壓管道靠壓力流動的，有壓力管道在輸水過程中，有時因有壓管道管軸線位置過高或管中流速過大，管

2、道的局部管段會產生負壓也就是相對壓強小于零，即真空，當真空度較大時，水流在負壓區液體汽化為氣體形成氣泡，氣泡隨水流到高壓區瞬間破滅，氣泡動量瞬間變為零，隨著氣泡破滅瞬間會對固體邊壁產生強大沖擊力，久而久之，固體變比材料發生剝落形成麻面蜂窩，這種現象產生工程中叫氣蝕。固體邊壁因氣蝕而破壞，所以工程中很關心壓強沿程變化，盡可能避免出現過大負壓。因此，在設計管道時應分析管流壓強沿程變化，了解并控制各過水斷面上壓強的大小，判斷有壓管道中哪些局部管段會出現負壓。2.繪制測壓管水頭線思路方法知道了為什么分析壓強沿程變化，下面講分析壓強沿程變化采用的方法和具體措施。能量方程可求斷面壓強，能量方程左右兩邊反映

3、的是斷面總水頭的沿程變化，思路是由能量方程先分析斷面總水頭 （z+p/r+v2/2g），再分析各斷面測壓管水頭（z+p/r），再分析各斷面壓強水頭p/r，最后分析壓強大小p。也就是說要分析管流壓強沿程變化則需要沿管道找幾個典型過水斷面，分析確定各個典型過水斷面的總水頭和測壓管水頭位置，然后沿程把各斷面總水頭連起來就是總水頭線，同理沿程把各斷面測壓管水頭連起來就是測壓管水頭線，也就是說通過繪制總水頭線和測壓管水頭線（簡稱兩線）分析壓強沿程變化。3. 總水頭線和測壓管水頭線定量繪制總水頭線和測壓管水頭線繪制分定量繪制和定性繪制，下面先講定量繪制。以下圖為例講解總水頭線和測壓管水頭線定量繪制。先沿管

4、道找幾個典型斷面1-1、2-2、3-3、4-4、5-5 ，然后進行一下計算。 （1）選定基準面（管道出口管軸線0-0），計算管道進口前1-1斷面的總水頭H1；（2）計算出各管段的沿程水頭損失和各個局部水頭損失；（3）計算出分界斷面的總水頭及測壓管水頭；（4）以基準面為橫標，以垂直基準面為縱標表示總水頭或測壓管水頭，在各斷面以一定比例確定縱標位置，即總水頭、測壓管水頭位置，然后沿流程把各斷面總水頭和測壓管水頭連起來即可繪制出總水頭線、測壓管水頭線。重要工程均需要定量繪制兩線。4.總水頭線和測壓管水頭線定性繪制有些工程只需要定性繪制兩線即可。以下圖為例講解如何定性繪制兩線。4.1定性繪制總水頭線和

5、測壓管水頭線注意幾點（1）先繪總水頭線再繪測壓管水頭線，繪制總水頭線一般從上游進口斷面開始，向下游繪制，測壓管水頭線一般從出口斷面開始，向上游繪制；（2）測壓管水頭線低于總水頭線一個流速水頭值；對于管徑不變的管道，二者為傾斜下降相互平行的直線；注意的是對于管徑不同的管道，二者仍相差一個流速水頭值，但因流速不一樣，管徑不同的管道兩線間距不一樣，管徑越大流速越小兩線間距越小，一會舉例說明。（3）有局部水頭損失斷面假設局部水頭損失集中在一個斷面上，總水頭線畫成豎直下降的直線。（4）在繪制水頭線時，應注意管道進、出口的邊界條件。4.2 管道進口兩線繪制上面講了定性繪制兩線注意的4個問題，最重要的、學生

6、容易出錯的是管道進、出口的邊界條件不同兩線如何繪制，下面先進行管道進口情況分析。無論上游水池中流速是否等于零，水面線即為測壓管水頭線，這一點分析下：水池中水流認為是均勻流或漸變流，在水池中任意選一過水斷面，代表點選在水面處，代表點的測壓管水頭為z+p/r，其中p/r=0，壓管水頭等于z，z表示水面到基準面距離，無論基準面選到哪，以基準面為橫坐標，以垂直基準面為縱坐標，表示此斷面處測壓管水頭位置時都在水面處，所以水面線即為測壓管水頭線。圖1 圖2對于圖1，先分析總水頭線，在水池中水面線即為測壓管水頭線，因流速為0，兩線重合都為水面線，在管道進口處有局部損失，總水頭線豎直下降，進入管道后有沿程損失

7、總水頭線沿管段傾斜下降，具體繪制如圖；再分析測壓管水頭線，在水池中水面線即為測壓管水頭線，管段進口處及管段處，測壓管水頭線總是低于總水頭線一個流速水頭。具體繪制下如圖。對于圖2，先分析總水頭線，在水池中水面線即為測壓管水頭線，因流速不等于0，總水頭線比水面線高一個行近流速水頭，在管道進口處有局部損失，總水頭線豎直下降，因此處局部損失大于水池中的行進流速水頭，總水頭線豎直下降到上游水面以下，進入管道后有沿程損失總水頭線沿管段傾斜下降，具體繪制如圖；再分析測壓管水頭線，在水池中水面線即為測壓管水頭線，管段進口處及管段處，測壓管水頭線總是低于總水頭線一個流速水頭。具體繪制如圖。4.3管道出口兩線繪制

8、圖3 圖4 圖5圖3為管道出口自由出流時，自由出流時管道出口斷面測壓管水頭線與出口斷面中心重合，這一點我們分析下：管道出口斷面代表點選在出口斷面中心，管道出口斷面的測壓管水頭為z+p/r，其中p/r=0，測壓管水頭就等于z，無論基準面選到哪，測壓管水頭都是管中心點到基準面距離，同樣，我們以基準面為橫坐標，以垂直基準面為縱坐標，此斷面測壓管水頭位置都在管中心處，所以自由出流時管道出口斷面測壓管水頭線與出口斷面中心重合。圖4為管道淹沒出流，下游流速v20時，先分析總水頭線，在管道出口處因有局部損失總水頭線豎直下降，下降到的位置與下游水池中的總水頭線有關，下游水池中因v20水面線即是測壓管水頭線又是

9、總水頭線，所以總水頭線降到下游水池水面處，然后與下游水池中的總水頭線銜接，具體繪制如圖。再分析測壓管水頭線，在管道出口處斷面，代表點選在管中心處，代表點處的測壓管水頭為z+p/r，因下游流速v20，管道出口中心處的p/r近似按靜水壓強水頭方法求解，p/r等于管道出口中心處水深，z+p/r管軸線位置高再加上水深就等于出口斷面處水面到基準面距離，也就是說在管道出口斷面處測壓管水頭與下游水面齊平，在水池中水面線即為測壓管水頭線，具體繪制如圖。圖5為管道淹沒出流，下游流速v2不等于0時，先分析總水頭線，在管道出口處因有局部損失總水頭線豎直下降，下降到的位置與下游水池中的總水頭線有關，下游水池中因v2不

10、等于0，水面線是測壓管水頭線，總水頭線比水面線高一個流速水頭，所以總水頭線降到下游水池總水頭線處，要比下游水池水面高，然后與下游水池中的總水頭線銜接，具體繪制下如圖。再分析測壓管水頭線，在管道出口處斷面，代表點選在管中心處，代表點處的測壓管水頭為z+p/r，因下游流速v2不等于0，管道出口管中心處的p/r不能按靜水壓強水頭方法求解，因有動能壓能減小了，動水p/r小于管道出口中心處水深（剛講了靜水時p/r等于管道出口中心處水深），因p/r小于管道出口中心處水深，z+p/r位置就低于管道出口斷面處水面，也就是說在管道出口斷面處測壓管水頭比下游水面低些，不能齊平，在水池中水面線即為測壓管水頭線，所以

11、在管道出口斷面處測壓管水頭因低于水面，要先上升然后與下游水池中測壓管水頭線即水面線銜接，具體繪制下如圖。這里同學們清楚了為什么測壓管水頭線要從下游向上游畫了吧，目的是為了好把握末端情況。管道進、出口的邊界條件不同兩線繪制是學生容易出錯的地方，學生要理解掌握。4.4 定性繪制總水頭線與測壓管水頭線舉例定性繪制兩線注意問題講了，下面進行兩線定性繪制舉例：例1：根據剛才注意問題，先畫總水頭線：從上游向下游，先畫上游水池總水頭線為水面線，管道進口有局部損失總水頭線豎直下降，管段僅沿程損失總水頭線傾斜下降，閘閥、轉彎處有局部損失總水頭線豎直下降。總水頭線繪制完后進行測壓管水頭線繪制。下面進行繪制測壓管水

12、頭線，從管中心向上游繪制測壓管水頭線，測壓管水頭線總低于總水頭線一個流速水頭，管段流速相等兩線間距不變，向上游繪制，直到與上游水池測壓管水頭線銜接。根據繪制的總水頭線和測壓管水頭線很容易得出管道各斷面的壓強水頭，以任意i-i斷面為例，分析能量方程中各水頭，基準面選在管道出口中心所在水平面，z為i-i斷面中心點到基準面距離，p/r為測壓管水頭減去位置水頭，即為測壓管水頭線與管軸線間豎線，流速水頭為兩線間距，水頭損失為水池中總水頭減去水流到i-i斷面水頭損失。可以看出，任意斷面壓強水頭為圖中測壓管水頭線與管軸線間豎線，下面表示出沿程各斷面壓強水頭（圖中陰影豎線）。兩線繪制以后，如何判斷負壓斷面？負

13、壓斷面肯定是z+p/r小于z，也就是說測壓管水頭線低于位置水頭了，位置水頭在管斷面中心點處，所以如果測壓管水頭線在斷面中心點的上方，該斷面中心點壓強為正值；測壓管水頭線在管斷面中心點的下方，該斷面中心點的壓強為負值。例2：先畫總水頭線：從上游向下游，先畫上游水池總水頭線比水面線（測壓管水頭線）高一個行近流速水頭，管道進口有局部損失總水頭線豎直下降降到上游水池水面以下（因為此處局部損失大于行近流速水頭），管段僅沿程損失總水頭線傾斜下降，管道突然縮小處、管道出口處有局部損失總水頭線豎直下降，下降到與下游水池總水頭線齊平，下游水池因流速等于0，水面線為測壓管水頭線也為總水頭線，所以下降到下游水面處然

14、后與下游水面銜接。再畫測壓管水頭線，從下向上畫，下游水池中水面線為測壓管水頭線，管道出口斷面因下游水池流速等于0，出口斷面處的測壓管水頭應與下游水面齊平，然后向上游繪制測壓管水頭線，測壓管水頭線總低于測壓管水頭線一個流速水頭，同一管段流速相等兩線間距不變兩線平行，需要說明的是，對于管徑不同的管段總水頭線與測壓管水頭線垂向間距不同，管徑越大的管段流速越小，單位流程上水頭損失越小，總水頭線越緩，兩線的間距越小；管徑越小的管段流速越大，單位流程上水頭損失越大，總水頭線越陡，兩線的間距越大。最后測壓管水頭線與上游水池測壓管水頭線銜接。按同樣方法可分析沿程各斷面壓強水頭（圖中陰影豎線）。可判斷負壓，測壓管水頭線在斷面中心點的上方，該斷面中心點壓強為正值；測壓管水頭線在管斷面中心點的下方，該斷面中心點的壓強為負值