張志平

(忻州市水利勘測設計院， 山西 忻州　034000)

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淺析忻州市長距離有壓重力輸水設計有關問題

張志平

(忻州市水利勘測設計院， 山西 忻州034000)

本文以忻州市岢嵐縣新建北川灌區(qū)工程輸水管線設計為實例，初步總結忻州市境內利用地形高差，采用有壓重力輸水工程的情況，分析了輸水管道設計中管線布置、管材選取、管徑的確定方法，以及應采取的安全工程措施，可為今后忻州市類似工程提供借鑒。

有壓重力輸水； 工程設計； 忻州市

1　概　況

忻州市地處山西省北中部，西隔黃河與陜西、內蒙古相望，東臨太行與河北相鄰，北接長城連接大同、朔州，南跨石嶺直通省會太原，現(xiàn)轄1區(qū)1市12縣，境內山地較多，全市面積為2.55萬km2，其中平原0.27萬km2，約占10.5%，丘陵0.92萬km2，約占36%，山地1.36萬km2，約占53.5%。境內有黃河、汾河、滹沱河、桑干河等河流通過，全市范圍屬溫帶大陸性季風氣候,四季分明,春季多風,夏季多雨,秋季氣爽, 春冬季少雨雪，年內降水分配不均，主要集中在7、8、9三個月。多數(shù)縣、區(qū)十年九旱，仍未擺脫靠天吃飯的局面，給廣大城鄉(xiāng)居民生活和工農業(yè)生產造成不利的影響，嚴重制約我市社會經濟的正常發(fā)展。

針對目前灌區(qū)嚴重缺水而水源地有限，水資源得不到充分利用的現(xiàn)狀，在加快灌區(qū)節(jié)水改造，提高灌溉水利用率的同時，根據(jù)忻州地區(qū)用水點與水源地分布的地形特點，利用地形高差，采用有壓重力輸水方式，興建輸水管道調水不失為技術可行、經濟合理的解決方案，這樣可從根本上改變水資源時空分配不均的現(xiàn)狀。開源節(jié)流并舉，緩解水資源供求矛盾，保障當?shù)厝罕娚睢⑸a用水，發(fā)展當?shù)亟洕?/p>

2　工程設計

岢嵐縣位于忻州地區(qū)西南部，地處晉西北高寒干旱山區(qū)，是傳統(tǒng)的農業(yè)縣，境內嵐漪河流域北川河支流下游的北川盆地是全縣的主要糧油生產基地，有平川耕地3.7萬畝，人口2.16萬，分別占全縣平川耕地和總人口的56.1%和25.7%，區(qū)內降水稀少，旱災頻繁，農業(yè)產值低而不穩(wěn)。而北川河上游有長年不斷的基流，流量可達0.34m3/s，由于受地質構造影響，水流在水門——新民段全部滲入地下，下游無法利用。因此，引水到北川，是改變水資源時空分配不均現(xiàn)狀，緩解供水矛盾，保障當?shù)厝罕娚?、生產用水，促進岢嵐縣農業(yè)經濟發(fā)展的民生工程。

岢嵐縣新建北川灌區(qū)工程輸水管線由岔上引水工程通過壓力鋼管將上游清泉水經水門、新民、團城子、神堂坪引至北川。輸水管線全長14.676km，輸水管道工程為集大落差、長距離、復雜地形于一體的重力流管道輸水工程，起點管底高程為1798.50m，終點地面高程為1457.01m，總地形高差為341.49m，最大引水流量為0.34m3/s，分別采用Dg426、Dg478兩種規(guī)格有壓螺旋焊縫鋼管輸水。灌區(qū)建成后，可使北川盆地3.234萬畝農田得到適時灌溉，同時解決9個村6000多人的飲水問題。目前已有萬畝良田引用該工程灌溉水做膜下滴灌，糧食、蔬菜產量增長明顯。

2.1管道布置

選定合理的管線，是輸水管道設計中首要的工作。輸水管線定線時，應盡量縮短管線的長度，減少拆遷，少占良田，少毀植被，保護環(huán)境，保證供水安全； 應選擇最佳的地形和地質條件，盡量沿現(xiàn)有道路敷設，以便于施工和檢修；管線盡量減少與鐵路、公路和河流交叉；避開易滑坡和河流淹沒等沖刷地區(qū)，以降低造價和便于施工、維護及管理。

2.2管材的確定

在輸水管道工程中，管道投資占總投資的比重很大，因此對管材的選擇應根據(jù)工程的具體情況，做出安全、技術、經濟等多方面分析比較。不同管材對工程的適應特性，能否充分發(fā)揮管道的最大優(yōu)點，確保工程投資少，管道運行安全可靠，管理方便，運行成本低，施工便捷，需綜合考慮后確定。岢嵐縣新建北川灌區(qū)工程輸水管線所經之處，山川并列，梁峁綿延，溝壑縱橫，支離破碎，地質條件差，且距離長，故管材選用了工程安全性強，管道綜合造價適中，性能比較好的螺旋焊縫鋼管，并對其進行防腐處理，外防腐采用環(huán)氧煤瀝青，內防腐采用IPN8710漆。內壁經過防腐處理，不僅耐腐蝕性大幅提高，而且管內水力特性大為改善。

2.3管徑的確定

確定合理的管徑，是輸水管道設計中一項十分重要的工作。對同一種重力輸水的管材，水頭損失隨管徑增大而減小，可利用水頭高，但管道投資亦隨之增大;相反管徑減小，水頭損失增大，可利用水頭就小，管道投資亦之隨減小。

如何確定合理的管徑，可采用管道設計流速來控制。重力輸水應充分利用地形高差，使通過設計流量所采用的管徑最小，經濟效益最佳。一般壓力輸水管道的設計流速不宜大于3m/s且不宜小于0.6m/s，在滿足輸水要求下，應盡量選擇小管徑。

2.4有壓重力輸水管線設計中應研究的安全工程措施

2.4.1避免地形因素的不利影響

有壓重力輸水受地形因素影響較大，管線布置應避免高差變化過大，導致管道承壓過高，工程造價增加，影響運行安全；同時亦應避免管線敷設在水力坡降以上，造成管線產生負壓，導致出現(xiàn)管道吸癟的現(xiàn)象。

2.4.1.1避免靜水壓力過大，管道承壓過高

長距離、地形復雜、高差起伏較大，重力流輸水其靜水壓力過大，應考慮根據(jù)地形采取多級減壓，合理把管線劃分成幾個壓力區(qū)段，降低管道承壓，控制每段管道的最高工作壓力，從而保證管道運行的安全性和經濟的合理性。

2.4.1.2避免管線敷設在水力坡降以上，產生負壓

通過測壓管水頭計算找出預選管線中在設計流量過流時，產生負壓的管段，采取相應的工程技術措施消除負壓影響。在該工程設計中采取了以下幾種比較可行、有效的工程技術措施。

a.降低該段管道高程：重新選擇管道線路或管道深埋，降低該段管道安裝高程，使其測壓管水頭為正值。

b.調整管道直徑：通過增大該段管道直徑，減少沿程水頭損失值。

c.管道分段：在適當?shù)攸c修建調節(jié)池，將管道分段，使前段管道的設計引流量大于后段管道的設計引流量。

d.設置排氣閥：使管道在產生水錘時空氣可自動進入，從而避免產生負壓。

另外，長距離引水管道需翻越許多大小山脊，在山脊處必須設置排氣閥，若山脊處排氣設施被忽略，將直接危及引水管道的正常運行。原因是山脊段管道內的空氣無法排出而產生氣阻，減小管道實際過水斷面面積，破壞其管道內水流的連續(xù)性，降低輸水能力，嚴重時甚至不能引水。合理確定管道排氣閥，可防止因管道的汽蝕和振動而影響管道輸水安全。

2.4.2降低水錘破壞

水錘破壞是造成輸水管道工程事故的主要原因之一。水錘現(xiàn)象是在壓力管道中因流速劇烈變化，而產生一系列的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象。通過機械波的形式傳遞，水錘的大小和水錘波的波速成正比。水錘常因閥門的關閉、意外積氣、誤操作等原因產生。

因此，對于長距離管道輸水，水錘危害往往由多種因素引起，難以控制，需綜合考慮采取多重安全保護措施，確保整個輸水管線長期、安全運行。

2.4.2.1安裝排氣閥

斷流彌合水錘對長距離管道輸水的危害極大，在工程設計中，通常應根據(jù)輸水管線的實際情況布設一定數(shù)量的排氣閥，即在駝峰處及水平段每隔500～1000m處布設，避免水柱彌合水錘產生破壞，保證輸水管道安全。

2.4.2.2設置減壓池

通過設置減壓池對距離長、地形落差大的有壓重力管道輸水系統(tǒng)進行壓力分級，可有效控制每段管道的最高工作壓力和管道的長度，降低水錘破壞。

減壓池對于改善長距離、高落差的有壓重力輸水管線工作環(huán)境非常必要，既滿足了管道正常水壓的需求，降低靜水、動水壓力，降低水錘發(fā)生的概率，保證管路正常運行，又減少了工程造價。

2.4.2.3設置自動泄壓閥

在管道上設置泄壓閥，可在發(fā)生水錘段管道壓力超過設定值時，超壓泄壓閥自動打開進行泄壓，有效地卸掉超壓部分壓力，從而避免局部突發(fā)超壓造成水錘爆管事故。泄壓后，降低閥后管道的運行工作壓力，保證管道在發(fā)生水錘時，減緩水在管道系統(tǒng)中流速的變化，降低機械波的傳遞速度，這樣管道因為事故而產生的壓力變化就會減弱，水錘影響就會得到控制。

針對有壓重力輸水管線設計過程中需注意的幾點問題，岢嵐新建北川灌區(qū)引水管線工程，從安全角度出發(fā)，采取了多重安全保護措施，以確保輸水管線的正常運行。

為了確保輸水管線的正常運行，在輸水管線樁號8+805山頂鞍部處建一座5萬m3水池，沿線設4座千方水池，對處于高壓的管道進行分級減壓，降低管道承受的壓力，控制每段管道的最高工作壓力，改善了管道的運行環(huán)境，確保了管道的安全，同時又起到了調蓄作用，避免因上游管道檢修和源頭水量變化給生產、生活帶來不便，保證穩(wěn)定的供水。

另外，為了便于5萬m3水池在運行過程中清淤，在水池旁布設旁通管，保證水池清淤檢修時，不影響正常輸水，并在水池上游節(jié)制閥前配DN200、壓力1.6MPa自動泄壓閥，泄壓調壓壓力為1.2MPa，有效地降低閥后管道的運行工作壓力，保證管道在發(fā)生水錘時安全運行。

該引水管線工程途經許多大小山脊，在壓力管道的凸起點上，共設置12個自動進排氣閥，排除管內集聚的空氣，并在管道需要檢修、放空時吸入空氣，保持排水通暢。

通過以上多重工程措施的保護，使整條管線的運行安全得以保證。輸水管道經過兩年的運行，沒有出現(xiàn)事故，運行正常。

3　結　語

在岢嵐縣新建北川灌區(qū)工程中，輸水管道投資占整個工程總投資的絕大部分比重，管材、管徑及工作壓力的選取必須從工程規(guī)模、重要性、地形地質等方面綜合考慮，進行技術、安全、經濟對比分析確定，許多技術及安全措施還有待更深入地研究和提高，不斷總結經驗，使設計更趨完善，以期為今后忻州市及其他地區(qū)類似有壓重力輸水工程方案的選擇提供工程依據(jù)。

CECS 193：2005城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術規(guī)程[S].北京：中國計劃出版社，2006.

Analysis on related issues of long-distance pressure gravity water conveyance design in Xinzhou

ZHANG Zhiping

(XinzhouWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Xinzhou034000,China)

In the paper, the design of Beichuan Irrigation Area Project water conservancy pipeline newly constructed in Xinzhou Kelan County is adopted as an example. Pressure gravity water conveyance project condition by applying terrain elevation difference in Xinzhou is preliminarily summarized. The pipeline layout, pipe material selection and the determination methods of pipe diameter in water conveyance pipeline design, as well as the safety project measures that should be adopted are analyzed, thereby providing reference for similar projects in Xinzhou in the future.

pressure gravity water conveyance; engineering design; Xinzhou

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.010

TV672+.2

A

1005-4774(2016)01-0031-03