□李云霞（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）

0 引言

隨著跨流域調(diào)水輸水工程的逐漸增多，輸水管道的安全問(wèn)題也日益突出。因此，對(duì)長(zhǎng)距離、大落差輸水工程必須采取一定的減壓措施。文章主要結(jié)合工程實(shí)例分析長(zhǎng)距離輸水管道中減壓措施。

1 工程概況

新疆沙灣縣第三水源地工程是解決沙灣縣城未來(lái)城市缺水的重要工程，該工程主要由取水工程、輸水工程、第三水廠(chǎng)以及配水干管四部分組成。工程建設(shè)任務(wù)是解決縣城居民生活、公共用水及工業(yè)用水。此工程年供水量為2000萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)引水流量為1.24m3/s，水廠(chǎng)日處理規(guī)模為10萬(wàn)m3/d；工程輸水管線(xiàn)長(zhǎng)18.68 km，總落差為220m。為節(jié)省投資、方便管理，提高供水保證率，此工程充分利用地形落差，采用無(wú)壓重力輸水+有壓重力輸水方式輸水。

2 長(zhǎng)距離輸水管道中壓力特點(diǎn)和減壓方式

2.1 長(zhǎng)距離輸水管道中壓力特點(diǎn)

近幾年，長(zhǎng)距離輸水管道被越來(lái)越多的應(yīng)用于大型供水工程中，這類(lèi)供水工程的正常運(yùn)行需要利用較高的地勢(shì)特點(diǎn)，利用高度差產(chǎn)生的壓力進(jìn)行調(diào)水。它的壓力由動(dòng)力水壓和靜水壓組成，所以控制管道水壓是解決調(diào)水安全的關(guān)鍵。

此工程管道總長(zhǎng)度18.68 km，輸水流量為1.24m3/s,地形總落差為220m，供水目的地需預(yù)留20m的水頭。通?？筛鶕?jù)具體的地勢(shì)特點(diǎn)選擇輸水管道的材質(zhì)，一般使用承壓能力較強(qiáng)的PCCP管和球墨鑄鐵管。承壓重力輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是利用地形高度差產(chǎn)生的壓力完成整個(gè)輸水過(guò)程。在長(zhǎng)距離輸水管道中首先應(yīng)解決的問(wèn)題是減弱水流對(duì)輸水管道壓力的問(wèn)題，以提高輸水管道的安全性。此工程的最大落差為220m，此落差已經(jīng)超過(guò)了管道的承壓能力，所以必須采取一定的減壓措施降低水頭，以保證工作水頭不超過(guò)管道的承壓能力。

2.2 長(zhǎng)距離輸水管道減壓方式

2.2.1 減壓閥

此工程采用的減壓方式可以分為兩種，一種是減壓閥減壓，另一種是減壓池減壓。其中減壓閥減壓是根據(jù)輸水工程首末點(diǎn)地形總落差，供水區(qū)對(duì)壓力的要求以及管道壓力能力等按照地形的高低把輸水管線(xiàn)進(jìn)行分段處理。然后在不同的高度位置上設(shè)置減壓閥，根據(jù)減壓閥所能達(dá)到的減壓比設(shè)置閥后壓力，以保證閥后壓力在管道承壓能力范圍之內(nèi)。

2.2.2 減壓池的設(shè)置

另一種減壓方式是減壓池的設(shè)置，此減壓方式根據(jù)輸水工程首末點(diǎn)地形總落差，以在不同的高度位置上設(shè)置減壓池水位作為起始點(diǎn)，以便于向下部管道供水，在此過(guò)程中要注意每個(gè)減壓池控制1個(gè)小區(qū)的供水。

2.3 分段減壓消能

長(zhǎng)距離輸水管道工程特點(diǎn)一般是距離長(zhǎng)、落差大、流量大等，本工程輸水管道地形落差為220m，管道長(zhǎng)18.68 km，流量為1.24m3/s。如此長(zhǎng)的管線(xiàn)和如此大的落差如果不進(jìn)行管線(xiàn)分段，在強(qiáng)大的水錘壓力下要選擇經(jīng)久耐用、經(jīng)濟(jì)合理的管材，困難較大。因此，必須考慮分段設(shè)置減壓設(shè)施，實(shí)施分段減壓消能。把一條長(zhǎng)管道分割為若干段不連續(xù)的管道，在每一個(gè)管道的末尾部分設(shè)置閘閥和消能設(shè)施，這樣就能夠起到較好的分壓作用，大大減小了水錘的壓力，從而減少管道的工作壓力，而且減壓設(shè)施也能夠消除因?yàn)楣艿涝O(shè)計(jì)存在的問(wèn)題而產(chǎn)生的剩余水頭。

減壓設(shè)施可以分為三部分，一部分為消能設(shè)施、一部分為控制流量大小的閘、閥，另一部分為穩(wěn)壓池。閘、閥門(mén)的設(shè)施要根據(jù)具體工程大小進(jìn)行合理設(shè)計(jì)；消能設(shè)施一般采用消力池，然后進(jìn)行閘、閥布置，以便能夠消除閘閥出口處的多余水頭；穩(wěn)壓池的主要作用是穩(wěn)定下一級(jí)管道進(jìn)口水流流態(tài)，布置在消力池的下游，而且要滿(mǎn)足管口有一定淹沒(méi)水深的要求。消能設(shè)施和閘閥也可以采用先進(jìn)的流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行設(shè)置。

管道區(qū)間的劃分要根據(jù)實(shí)際管線(xiàn)布置、管道承壓能力、地形地質(zhì)特點(diǎn)、消能設(shè)施投資以及運(yùn)行管理的方便可靠等因素進(jìn)行設(shè)置。因此應(yīng)綜合考慮各方面因素進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后河里確定。沙灣縣第三水源地工程全段有壓輸水方式按照上述方法將管線(xiàn)分為四段。

2.4 長(zhǎng)閘閥關(guān)閉時(shí)間

在長(zhǎng)距離輸水管道上常常因?yàn)橥蝗魂P(guān)閉閥門(mén)而致使管中流速急劇下降，導(dǎo)致承壓能力突然降低、升高或者是周期性往返等，產(chǎn)生較大的水錘壓力。水錘壓力的計(jì)算要采用特殊的征線(xiàn)法結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)施計(jì)算。單位時(shí)間內(nèi)動(dòng)量變化越大，水流產(chǎn)生的沖擊波就越大，導(dǎo)致管中流速的變化，而管中流速的改變與閘閥關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短有著密切的聯(lián)系。此工程設(shè)計(jì)流量Q=1.24m3/s，其中某一段管長(zhǎng)L=12 km，凈水頭H=58.50m，管徑為1m這樣就嗯呢更計(jì)算出時(shí)間t和水錘壓力H的結(jié)果，從而能夠得知水錘壓力與閘閥關(guān)閉時(shí)間之間的關(guān)系，如圖1是閘閥關(guān)閉時(shí)間t～水錘壓力H關(guān)系曲線(xiàn)。

圖1 閥關(guān)閉時(shí)間t～水錘壓力H關(guān)系曲線(xiàn)圖

從圖中可以看出當(dāng)時(shí)間t>10min時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)，水錘壓力減少梯度越小，所以可以將閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間控制在10min，管道設(shè)計(jì)最大工作壓力按照1.20倍的凈水頭設(shè)計(jì)。從去曲線(xiàn)圖中可以確定管道設(shè)計(jì)工作壓力和閘閥關(guān)閉時(shí)間，以便計(jì)算出保證管道安全的管道壓力。所以說(shuō)，適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)管道末端的閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間能夠起到較好的減小管道壓力的作用。

3 輸水管道的設(shè)計(jì)

此供水工程采用截潛流方式取水，取水首部以上無(wú)調(diào)蓄工程，管道供水流量隨著季節(jié)的變化而發(fā)生變化。輸水管道的管線(xiàn)長(zhǎng)、落差大、地形起伏，運(yùn)行工況復(fù)雜等，這些都不利于輸水管道的安全運(yùn)行。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面考慮，在這里設(shè)計(jì)采用分段輸水方案，一百年以最小的造價(jià)，最大的降低管道的工作壓力，保證輸水線(xiàn)路的安全運(yùn)行；輸水管線(xiàn)分為三段，每段的地形落差不超過(guò)50m，根據(jù)地形特點(diǎn)，選擇合適的輸水方式，這里供選擇的輸水方式主要有兩種，第一是全段有壓力輸水方式，另一種是無(wú)壓重力輸水+有壓重力輸水方式。

3.1 全段有壓力輸水方式

這種減壓方案是一種有壓重力輸水方式，首先管道首部集水井至第三水廠(chǎng)沿線(xiàn)地形起伏，管線(xiàn)順著地形合理布置，在輸水管線(xiàn)鋪設(shè)過(guò)程中要考慮地形起伏處的正常運(yùn)行水頭，另外，還要考慮方便運(yùn)行期管理和施工需求，管道的管材盡量使用標(biāo)準(zhǔn)化管件，初擬管徑采用DN800的玻璃鋼管。本工程地形落差約220m，線(xiàn)路總長(zhǎng)18.68 km，為了是管道輸水安全進(jìn)行，減壓時(shí)要結(jié)合地形特點(diǎn)和水頭損失特點(diǎn)實(shí)施逐級(jí)減壓。減壓方式選擇減壓閥+消能井的方式，根據(jù)減壓閥的減壓比和管材耐內(nèi)壓能力設(shè)置4級(jí)減壓，每級(jí)減壓的控制高差控制在50m左右。

3.2 無(wú)壓重力輸水+部分有壓重力輸水方式

此工程地形復(fù)雜、落差大，所以輸水管道在設(shè)計(jì)的過(guò)程中可以利用該落差采用無(wú)壓重力輸水方式進(jìn)行管道設(shè)計(jì)，根據(jù)此工程的實(shí)際地形情況，管線(xiàn)總體采用無(wú)壓重力輸水方式，其中無(wú)壓重力輸水為：0-010.86～11+650段，管線(xiàn)全長(zhǎng)11.66 km，管徑采用DN1200和DN1000的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管；11+650～18+670.40段地勢(shì)較平緩，采用有壓重力輸水方式，總長(zhǎng)7.02 km，管徑采用DN800，剛度為10000N/m2的玻璃鋼管，壓力：0.60MPa和1.00MPa，這樣的設(shè)計(jì)要求能夠最大限度的滿(mǎn)足累積水頭的需要。

通過(guò)對(duì)以上兩種方案的分析與研究，全段有壓力輸水方案投資運(yùn)行成本相比較高，管道壓力比較大，即使通過(guò)減壓閥降低壓力，但是水錘問(wèn)題較嚴(yán)重，供水安全性有待提高；而無(wú)壓重力輸水+部分有壓重力輸水方案具有投資成本低、管理方便、技術(shù)成熟、便于維修、運(yùn)行供水安全性高等優(yōu)點(diǎn)，所以本次工程優(yōu)化方案就選擇無(wú)壓重力輸水+部分有壓重力輸水方案，以便最大限度的提高工程效益。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)距離輸水管道的壓力問(wèn)題是工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，文章研究采取的將長(zhǎng)管線(xiàn)合理分段、適當(dāng)延長(zhǎng)管道末端閘、閥的關(guān)閉時(shí)間及通過(guò)選擇最優(yōu)的輸水方式是降低管道壓力、減少工程投資、保證輸水工程安全運(yùn)行的行之有效的措施。此工程采用無(wú)壓重力輸水+部分有壓重力輸水方案是合理可行的，此方式能夠在管道安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上以最小的造價(jià)取得最大的工程效益。

[1]孫萬(wàn)功.長(zhǎng)距離輸水管道減壓措施研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2003(3):57-58.

[2]徐大偉,彭怡.長(zhǎng)距離大高差有壓重力流原水輸水管道改擴(kuò)建設(shè)計(jì)[J].給水排水,2012,38(10):112-114.

[3]李曉燕.長(zhǎng)距離重力流輸水管道水錘防護(hù)方法研究[D].長(zhǎng)安大學(xué),2012.