王永才，朱如龍，朱耿軍，舒高華

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

相對(duì)于城市市政供水，水電移民安置點(diǎn)生活供水工程多處在山區(qū)，地形起伏較大，地形地質(zhì)條件較惡劣，供水規(guī)模普遍較小，且多采用重力輸水方式。以往的設(shè)計(jì)中，很多設(shè)計(jì)人員仍采用市政水泵供水的設(shè)計(jì)思路，導(dǎo)致供水管道管徑偏大，出現(xiàn)半管流、虹吸負(fù)壓等不利工況?；谏鲜霈F(xiàn)狀與問題，本文以云南省瀾滄江苗尾水電站苗尾遷建集鎮(zhèn)供水工程為例，淺談山區(qū)長(zhǎng)距離供水工程管線設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，為山區(qū)長(zhǎng)距離重力輸水工程設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 設(shè)計(jì)思路及基本原理

1.1 設(shè)計(jì)思路

(1)長(zhǎng)距離重力輸水管線，從安全角度出發(fā)，應(yīng)采用恒定流的供水方式，即從取水點(diǎn)到用水點(diǎn)供水周期穩(wěn)定，流量盡可能保持不變。

(2)分段泄壓，將管道靜水壓力控制在安全范圍內(nèi)。

1.2 基本原理

圖1為重力輸水管道分區(qū)原理，從水源地G1輸水至水池G4，若輸水管道不分段，且全線采用相同的管徑，則水力坡度為i=ΔZ/L，這時(shí)部分管道承受的壓力很高，可是G3點(diǎn)管道中仍出現(xiàn)負(fù)壓，顯然是不合理的。如將輸水管道分成3段，并在G2、G3處建造水池，則G2點(diǎn)附近管道的工作壓力有所下降，G3點(diǎn)也不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，大部分管道的靜水壓力顯著減小。

圖1 重力輸水管分區(qū)原理

輸水管分段并在適當(dāng)?shù)奈恢媒ㄔ焖睾螅粌H可以降低輸水管的工作壓力，并且可以降低輸水管的靜水壓力，因此是經(jīng)濟(jì)合理的，水池應(yīng)盡量布置在地形較高的地方，以免出現(xiàn)虹吸管段[1]。

設(shè)計(jì)時(shí)，輸水量Q、位置水頭H及輸水距離L均為已知參數(shù)，可據(jù)此確定輸水管管徑的大小。假定供水管道為單管輸水，G1～G2管段位置水頭為h1，管道流量為設(shè)計(jì)流量Q，管道長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，G1～G2管道可采用兩種不同管徑d1，d2的管道串聯(lián)，則根據(jù)《水力學(xué)》(第四版)串聯(lián)管道的水力計(jì)算公式，該管段的水頭損失為

式中，H1為管道水頭損失；Q為管道設(shè)計(jì)流量；l1、l2為兩種不同管徑對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度；K1，K2為兩種不同管徑對(duì)應(yīng)的流量模數(shù)

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 管道布置

苗尾遷建集鎮(zhèn)供水工程管道沿線地形落差較大、地形起伏段多，設(shè)計(jì)采用分段輸水的方案，即在管道沿線適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置泄壓池，將管道分成若干段，管道采用PN1.6 MPa的焊接鋼管，每段管道的地形落差不超過160 m，從而降低管道的工作壓力，保證管道安全運(yùn)行。

從圖2中可以看出，若輸水管線不分段，則很長(zhǎng)一段管道將處于負(fù)壓狀態(tài)，且最低點(diǎn)管道靜水壓力將達(dá)到約800 m，顯然不合理，因此，設(shè)計(jì)中根據(jù)地形條件設(shè)置泄壓池將整條管道分成8段，每段管道位置水頭控制在160 m以內(nèi)，并將泄壓池布置在高處，保證各管段不會(huì)出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，并在局部凸起處布置排氣閥，低洼處布置排泥閥，工程共布置泄壓池7座，排氣閥井13座，排泥閥井15座。

圖2 供水管道縱斷面示意

2.2 管道水力計(jì)算

在城鎮(zhèn)市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，水力計(jì)算涉及到管網(wǎng)平差、水頭損失計(jì)算等，管網(wǎng)平差的目的是要確定管網(wǎng)中各管段的管徑，水頭損失計(jì)算則是要確定水泵的揚(yáng)程，并對(duì)各種不利的工況進(jìn)行校核。而重力供水工程中不涉及到水泵，即“揚(yáng)程”已經(jīng)確定，因此水力計(jì)算的目的是要根據(jù)已知的“揚(yáng)程”和流量來確定各段管道的管徑，并復(fù)核各管段的承壓情況。

本工程設(shè)計(jì)流量Q=11.57 L/s，每個(gè)管段均按照采用不同管徑的管道串聯(lián)進(jìn)行計(jì)算，兩種管徑分別為d1、d2，兩種管徑對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度分別l1、l2(l1+l2=L，l2可等于0)，兩種管徑對(duì)應(yīng)的流量模數(shù)為K1、K2。

第一段管道從取水點(diǎn)至1號(hào)泄壓池，管道長(zhǎng)度L=5 896 m，位置水頭H=25 m，從計(jì)算表1中可以看出，若全部采用DN150管道，則管段過流能力為10.74L/s小于設(shè)計(jì)流量；若全部采用DN200管道，則管段過流能力為23.14 L/s，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)流量；若采用DN150與DN200兩種管徑串聯(lián)，其中DN200的管道長(zhǎng)度為2 000 m，其余為DN150管道，則管段過流能力為12.54 L/s，流量略大于設(shè)計(jì)流量，可滿足設(shè)計(jì)要求，因此，可以確定第一段管道采用2 000 m DN200管道與3 896 m DN150管道串聯(lián)。依次類推確定其他管段的設(shè)計(jì)管徑，計(jì)算結(jié)果見表1(僅列出前三段管道計(jì)算結(jié)果)。

表1 輸水管道管徑試算

2.3 泄壓池設(shè)計(jì)

泄壓池設(shè)置的目的是為了為防止管道運(yùn)行時(shí)承壓過大，將管道分段泄壓，保證輸水管線的運(yùn)行安全。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使泄壓池上游來水量與下游供水量基本保持平衡，根據(jù)CECS 193:2005《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)輸水管道高差較大或距離很長(zhǎng)需要分段時(shí)，可設(shè)調(diào)節(jié)水池(泄壓池)，其容積應(yīng)根據(jù)工藝要求通過工況分析和水力計(jì)算確定。當(dāng)輸水規(guī)模不大或要求不高時(shí)，重力輸水管道中間水池(泄壓池)容積可按不小于5 min的最大設(shè)計(jì)水量確定。

苗尾遷建集鎮(zhèn)供水工程泄壓池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共設(shè)泄壓池7座，泄壓池尺寸為：1.8 m(長(zhǎng))×1.6 m(寬)×2.3 m(高)。根據(jù)地形條件將泄壓池布置在地形相對(duì)較高點(diǎn)，保證各管道可重力供水且沿途管道不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓。

2.4 水錘防護(hù)措施

在壓力管道中因流速劇烈變化引起動(dòng)量轉(zhuǎn)換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象[2]。由于水錘的產(chǎn)生，使得管道中壓力急劇增大至超過正常壓力的幾倍甚至十幾倍，如不采取有效的防護(hù)措施，宜造成水管爆裂，引發(fā)事故。重力輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要對(duì)末端關(guān)閥水錘進(jìn)行防護(hù)，具體措施有：

(1)在管道凸起及適當(dāng)位置設(shè)置空氣閥，空氣閥是一種用于防止水錘過程中產(chǎn)生負(fù)壓的特殊閥門。當(dāng)管道內(nèi)壓力低于大氣壓時(shí)吸入空氣，而當(dāng)管道中壓力高于大氣壓時(shí)排出空氣[3]。工程實(shí)際中，采用空氣閥進(jìn)行水錘防護(hù)，可有效減小發(fā)生水錘事故概率。

(2)管道末端采用緩閉蝶閥，管線需要停水檢修時(shí)，緩慢關(guān)閉末端檢修閥門，采用250 s內(nèi)兩階段關(guān)閉，前100 s相對(duì)快速均勻關(guān)閉80%，后150 s內(nèi)緩慢關(guān)閉另外20%[4]。

(3)重視充水啟動(dòng)過程，管道初次充水啟動(dòng)應(yīng)控制水流速度不超過0.3 m/s，密切關(guān)注沿線空氣閥的工作狀態(tài)，保證其排氣暢通。

3 結(jié) 語

供水工程重力輸水系統(tǒng)具有運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)管理方便，在水源與用水點(diǎn)地形落差較大的地區(qū)有著較為廣泛的應(yīng)用，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注重管道布置，盡量減少管道起伏，并合理布置泄壓、排氣等設(shè)施，保證輸水系統(tǒng)運(yùn)行安全。另外，針對(duì)水電移民安置點(diǎn)生活供水工程，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)輸水系統(tǒng)管理人員的培訓(xùn)，正確掌握重力輸水系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)管理方法，防止誤操作導(dǎo)致發(fā)生水錘事故等。