魏 勇，鄭 帥，鮑 磊，陳業(yè)芹

(1.上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201700； 2.江蘇嘉源建設(shè)項目管理有限公司，江蘇 宿遷 223800)

輸水管線距離較長、水頭較高且地形起伏變化較大時，在設(shè)計中必須考慮水錘計算。因為開泵、停泵、開關(guān)閥門的過程中，水流速度會發(fā)生急劇變化，由水錘產(chǎn)生的瞬時壓強可達到管道中正常工作壓強的幾十倍甚至數(shù)百倍[1]，瞬時壓強不僅產(chǎn)生巨大噪音，還會導致管道系統(tǒng)產(chǎn)生強烈振動，可能引起爆管；相反，當管道壓強低于正常工作壓強時，又會導致管道的癟塌。這種由水錘作用導致的大幅度壓強波動，不僅會損毀管道，還會損壞閥門、水表、法蘭盤等管道構(gòu)件，對管道系統(tǒng)危害較大。管道設(shè)計相對簡單，但管道設(shè)計中水錘計算預(yù)防護是管道設(shè)計的重點與難點，關(guān)系到整個管道系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行安全，在設(shè)計中應(yīng)高度重視。

1 工程概況

本工程的受水區(qū)為工業(yè)區(qū)(分為A區(qū)、B區(qū))，工業(yè)區(qū)四面環(huán)海，島內(nèi)都是直接入海的小河流，水資源的開發(fā)難度大。2007年，地下水已經(jīng)超采，開采率達到 115%，本地水資源開發(fā)潛力很小，本地水源已經(jīng)遠遠不能滿足工業(yè)區(qū)經(jīng)濟飛速發(fā)展的需要，必須考慮節(jié)水措施、非常規(guī)水資源和外調(diào)水資源的利用。據(jù)計算預(yù)測，2015、2020和2030年該工業(yè)園區(qū)的需水量分別為12 989×104、20 531×104和 35 361×104m3，2020年該地區(qū)人口將達到 45.0萬人，為中等城市，缺水成為制約該地域經(jīng)濟發(fā)展的唯一因素。根據(jù)近期規(guī)劃，需要進行跨流域調(diào)水，一期供水工程已建成并投入，本次工業(yè)區(qū)供水工程輸水管線總長為74.34 km，管線首部與東風水庫高位水池的 DN1800 連接鋼管相連，尾部與第一、第二凈水廠入口相連，其中接入第一凈水廠線路長度49.88 km，接入第二凈水廠線路24.46 km，整條線路由東至西依次穿越高速公路、202 國道、縣道、濱海路等，輸水線路主要分布于低山丘陵區(qū)，線路高低起伏多變。本文結(jié)合設(shè)計方案及本報告所選水錘防護設(shè)備，分析泄壓閥、調(diào)流調(diào)壓閥等對重力流輸水管線的水錘防護效果，完成調(diào)流調(diào)壓閥不同動作方式的水錘分析，提出預(yù)期水錘防護效果的水錘防護措施建議。

2 管道水力計算

2.1 輸水方式

本工程輸水管線自水庫高位水池取水，高位水池由兩座蓄水池組成，單個蓄水池長25 m，寬15 m，高4.2 m，有效容積約1 200 m3，正常水深3.2 m，蓄水位底板高程132.89 m。在一期供水工程中，高位水池的設(shè)計蓄水位依據(jù)工業(yè)區(qū)的壓力要求，采用重力流一次輸水至工業(yè)區(qū)A區(qū)第一凈水廠。本次管線設(shè)計仍采用重力流輸水，中途不設(shè)置泵站，中途不再設(shè)置泵站加壓，設(shè)計時應(yīng)通過選擇合適的管徑，將水一次送至工業(yè)區(qū)第一、第二凈水廠。

2.2 計算條件

輸水管線管徑由起末端水位及水頭損失確定。第一凈水廠水位83.9 m，第二凈水廠水位70.0 m，考慮2 m的預(yù)留水頭，末端壓力分別按 85.9及72.0 m來計算管徑。因一期供水工程已經(jīng)建成，原設(shè)計供水能力為11×104m3/d，管線采用DN1100玻璃鋼管和鋼管。本次二期供水工程需要結(jié)合已建成的一期管線，共同輸水來滿足2020年需水量。2020年工業(yè)區(qū)總?cè)彼?3.4×104m3/d，其中A區(qū)缺水量 27.54×104m3/d，B區(qū)缺水量 5.86×104m3/d。因此，二期供水工程的供水規(guī)模由經(jīng)過調(diào)配后的一期管線所能承擔的供水余量確定。見表1。

表1 水庫高位水池向工業(yè)園區(qū)A區(qū)、B區(qū)供水管路特征

平均日設(shè)計流量按供水區(qū)的需水量乘以1.0倍的日變化系數(shù)確定，最高日設(shè)計流量按供水區(qū)的需水量乘以1.2倍的日變化系數(shù)確定。經(jīng)計算，最高日設(shè)計流量為 30.53 m3/s。

2.3 水力計算

通過試算不同的干管、支管管徑，求得滿足末端凈水廠水位要求的最佳管徑。計算公式采用《室外給水設(shè)計規(guī)范》(GB 50013-2018)中輸配水管道沿程損失計算公式。根據(jù)水力計算公式，結(jié)合一期管道來共同輸水承擔2020年用水。在滿足最高日供水能力條件下，干管線管徑采用兩條DN1400鋼管、A區(qū)支線管徑采用兩條DN1200鋼管、B區(qū)支線管徑采用兩條DN800鑄鐵管可以滿足最高日輸水水量及首末端壓力要求，并保證管道末端水頭滿足凈水廠水位要求。管道輸水能力見表2。

表2 管道輸水能力表

根據(jù)計算得出，B區(qū)支線路2根DN800鑄鐵管可以滿足2020年供水規(guī)模5.86×104m3/d，而B區(qū)2030年供水規(guī)模僅增加到8.15×104m3/d，通過計算按2030年規(guī)模B區(qū)線路選用2根DN900即可滿足要求?？紤]DN900和DN800管徑變化不大，增加投資不多，從長遠角度看，經(jīng)濟比較合理，因此本次B區(qū)支線路采用DN900作為輸水管徑。

本次設(shè)計最終選擇管徑如下：干管2×DN1400+A區(qū)支管2×DN1200+B區(qū)支管2×DN900，輸水線路示意圖見圖1。

圖1 輸水線路示意圖

3 水錘計算和防護分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

工業(yè)區(qū)長距離輸水工程為完全重力流輸水，上游為水庫高位水池，下游為第一凈水廠和第二凈水廠。水庫高位水池水面標高132.89 m，在最大供水量時，要求第一凈水廠最小水頭不低于85.9 m，第二凈水廠最小水頭不低于72 m，見圖2。即4號、6號樁點處的最小水頭不低于85.9 m，管底標高為80.2 m；8號樁點處的最小水頭不低于72 m，管底標高為8.87 m。設(shè)計預(yù)期最高日總供水規(guī)模 30.53×104m3/d，并且保證第二凈水廠最高日供水規(guī)模7.03×104m3/d，第一凈水廠最高日供水規(guī)模23.5×104m3/d，具體總供水能力依據(jù)模擬計算確定，并作為水錘分析依據(jù)水量。該工程管線拓撲關(guān)系見圖2。

圖2 輸水工程管線拓撲關(guān)系圖

在進行模擬時，各線對應(yīng)節(jié)點編號、管底標高見詳細數(shù)據(jù)，樁號37+709.9至第二凈水廠，即三號線，管材為球墨鑄鐵管，管內(nèi)防腐為水泥砂漿，糙率系數(shù)取0.012；其余管材均為鋼管，管內(nèi)防腐為環(huán)氧樹脂材料，海曾系數(shù)取140。設(shè)計承壓力為1.6 MPa。

3.2 水錘計算分析

根據(jù)管線拓撲關(guān)系及管線運行方式，水錘模擬重點是分別關(guān)閉第一凈水廠和第二凈水廠調(diào)流調(diào)壓閥時各條管線的水錘情況，計算工況如下：

3.2.1 第一凈水廠10 min關(guān)閥水錘模擬

模擬第一凈水廠調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)閥時，在第一凈水廠調(diào)流調(diào)壓閥開始關(guān)閉至完全關(guān)閉乃至整條管線水錘消減至可忽略程度這一時間段內(nèi)[2-3]，第二凈水廠調(diào)流調(diào)壓閥不動作，第一凈水廠所關(guān)閉閥門為管線末端調(diào)流調(diào)壓閥。見圖3。

圖3 第一凈水廠10 min關(guān)閥水錘模擬情況

第一凈水廠10 min內(nèi)線性關(guān)閉閥門產(chǎn)生水錘時，一號、二號、三號線最大水頭分別為 149.6、149.6和144.54 m，全線無負壓，各線最大水頭、最小水頭滿足管線承壓要求。

3.2.2 第二凈水廠10 min 關(guān)閥水錘模擬

模擬第二凈水廠調(diào)流調(diào)壓閥關(guān)閥時，在第二凈水廠調(diào)流調(diào)壓閥開始關(guān)閉至完全關(guān)閉乃至整條管線水錘消減至可忽略程度這一時間段內(nèi)，第一凈水廠任一調(diào)流調(diào)壓閥不動作。見圖4。

圖4 第二凈水廠10 min關(guān)閥水錘模擬情況

第二凈水廠10 min內(nèi)線性關(guān)閉閥門產(chǎn)生水錘時，一號、二號、三號線最大水頭分別為128.05、128.05和129.85 m，全線無負壓，各線最大水頭、最小水頭滿足管線承壓要求。

3.3 水錘防護設(shè)備分析及建議

經(jīng)過模擬計算，在所確定的工況下，在合理的時間內(nèi)關(guān)閥，各管線均沒有負壓的產(chǎn)生，也沒有過高壓力的產(chǎn)生。空氣閥可以選擇較為普遍的兩階段空氣閥[4]。所設(shè)計的DN150 mm空氣閥型號及數(shù)量滿足水錘防護要求。

為防止閥門誤操作等狀況下水錘產(chǎn)生的高壓危害，建議每條管線進入配水井前安裝超壓泄壓閥，并且在調(diào)流調(diào)壓閥上游。各凈水廠在10 min 關(guān)閥方案中，超壓泄壓閥處的最高水壓均在120 m以下，分析建議兩凈水廠關(guān)閥時間均控制在10 min以上，關(guān)閥時超壓泄壓閥處的最大水壓不超過120 m，且調(diào)流調(diào)壓閥的誤動作產(chǎn)生時，安裝處首先能感應(yīng)到高壓的產(chǎn)生，如果能及時在該處消減高壓，全線高壓將有效緩解。建議安裝點靠近調(diào)流調(diào)壓閥，并且泄壓閥工作感應(yīng)水頭設(shè)置為：第一凈水廠為 65 m，第二凈水廠為 70 m，口徑均為 DN300 mm。

由于在設(shè)計管徑、管材及管線長度等條件下，東風高位水池與各凈水廠配水井處的高差能滿足預(yù)期30.53×104m3/d的輸水要求，并且潛在輸水能力超過30.53×104m3/d。同時也為了滿足小流量下的管線運行，建議各條管線進入配水井前安裝調(diào)流調(diào)壓閥，關(guān)閥時間10 min以上。

4 結(jié)論及建議

對長距離有壓輸水管道系統(tǒng)，經(jīng)過模擬計算，在所確定的工況下，在合理的時間內(nèi)關(guān)閥，各管線均沒有負壓的產(chǎn)生，也沒有過高壓力的產(chǎn)生，空氣閥可以較好地降低系統(tǒng)水錘壓力。本文在設(shè)計時，選擇較為普遍的兩階段空氣閥，所設(shè)計的DN150 mm空氣閥型號及數(shù)量滿足水錘防護要求。本工程于2018年完工，目前管道系統(tǒng)運行較好。