□李 朋

長(zhǎng)距離輸水工程能夠有效解決我國(guó)北方地區(qū)水資源匱乏問(wèn)題，滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人民生活水平不斷提高對(duì)水的需求。對(duì)于輸水方式的選擇，管道輸水方式因?qū)Φ刭|(zhì)條件要求較低，施工方便，滲漏率小，造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。例如，南水北調(diào)中線(xiàn)配套輸水工程多采用管道輸水。

長(zhǎng)距離輸水管道工程一般包括多個(gè)供水目標(biāo)，不同供水目標(biāo)的水量、水壓需求不同。因此，需要對(duì)輸水管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行流量和壓力調(diào)節(jié)與控制，以滿(mǎn)足供水目標(biāo)對(duì)水壓的要求。

此文歸納總結(jié)了在長(zhǎng)距離輸水管道系統(tǒng)中常用的調(diào)壓方案和措施，并分析了其適用情況。同時(shí)，以河北省南水北調(diào)配套工程某輸水管線(xiàn)為工程背景，根據(jù)工程現(xiàn)狀存在的調(diào)壓?jiǎn)栴}，進(jìn)行調(diào)壓設(shè)計(jì)，采取相應(yīng)的調(diào)壓措施，使得輸水管線(xiàn)工程滿(mǎn)足運(yùn)行要求。

1.水力計(jì)算基本公式

1.1 管道阻力損失

對(duì)于輸水管線(xiàn)而言，管道阻力損失為：

式中：

Hi—管線(xiàn)沿程水頭損失(m)；

hj—管線(xiàn)局部水頭損失(m)。

1.2 管線(xiàn)沿程水頭損失

沿程水頭損失采用謝才公式：

式中：

L—管道長(zhǎng)度(m)；

C—謝才系數(shù)；

n—糙率系數(shù)；

R—水力半徑(m)；

Q—設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

v—平均流速(m/s)。

1.3 局部水頭損失計(jì)算

式中：

v—管道水流平均流速(m/s)；

ζ—局部水頭損失系數(shù)。

局部水頭損失系數(shù)依據(jù)水力計(jì)算手冊(cè)、給排水手冊(cè)等介紹的公式、圖表計(jì)算或選用。

2.調(diào)壓措施選擇

在輸水管道上游水位（水壓）一定的情況下，調(diào)壓設(shè)計(jì)就是通過(guò)改變輸水管線(xiàn)的阻力損失，以使管線(xiàn)末端水位（水壓）滿(mǎn)足運(yùn)行要求。根據(jù)水力計(jì)算公式可知，管道阻力損失分為沿程損失和局部損失。因此，可以通過(guò)增大或減小公式中的相關(guān)參數(shù)來(lái)改變管線(xiàn)的沿程或局部損失，進(jìn)而達(dá)到管線(xiàn)調(diào)壓的目的。

2.1 設(shè)置調(diào)壓調(diào)流閥

調(diào)壓調(diào)流閥有多噴孔和扇葉圈兩種結(jié)構(gòu)，水流經(jīng)由各個(gè)噴孔或扇葉噴出，在管道內(nèi)部相互碰撞，消耗大量能量，再通過(guò)調(diào)節(jié)活塞的開(kāi)度，即可實(shí)現(xiàn)減壓、調(diào)流的功能。圖1 為調(diào)壓調(diào)流閥工作原理示意圖。它是通過(guò)改變管線(xiàn)局部損失以達(dá)到壓力調(diào)節(jié)的目的。

調(diào)壓調(diào)流閥是最常用的調(diào)壓設(shè)施，具有實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，高效便捷，精確控制等優(yōu)點(diǎn)。調(diào)壓調(diào)流閥的缺點(diǎn)是造價(jià)較高，同時(shí)電動(dòng)調(diào)流調(diào)壓閥需要配套的電氣設(shè)備。

2.2 調(diào)整管道糙率

根據(jù)水頭損失計(jì)算公式，管材糙率對(duì)沿程水頭損失影響較大。在設(shè)計(jì)輸水管道工程時(shí)，若某一段管線(xiàn)水壓較高，超過(guò)運(yùn)行要求，在不增設(shè)其他設(shè)施的情況下，可通過(guò)選擇較大糙率的管材，增大該段管線(xiàn)的沿程水頭損失，降低管線(xiàn)末端水壓。

該措施適用于工程設(shè)計(jì)階段，管線(xiàn)運(yùn)行工況較為穩(wěn)定的情況，較易實(shí)現(xiàn)，工程造價(jià)低。但該措施不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

2.3 增設(shè)旁通管

圖1 調(diào)壓調(diào)流閥工作原理示意圖

圖2 調(diào)壓調(diào)流閥工作原理示意圖

圖3 旁通管平面布置圖

表1 設(shè)計(jì)工況下水頭損失及水位統(tǒng)計(jì)表

表2 主管線(xiàn)末端分水口水力計(jì)算成果表

表3 B 支線(xiàn)現(xiàn)狀水力計(jì)算成果表

表4 增設(shè)旁通管后B 支線(xiàn)水力計(jì)算成果表

在工程投資有限制或不適于設(shè)置調(diào)壓調(diào)流閥時(shí)，為達(dá)到可以在一定范圍內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓力的目的，可以在主管一側(cè)增設(shè)旁通管，旁通管上設(shè)置閥門(mén)，水流經(jīng)旁通管至下游。水流經(jīng)過(guò)旁通管，改變了局部水頭損失系數(shù)，同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，對(duì)管線(xiàn)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于主管管徑一般較大，在主管上調(diào)節(jié)壓力精度較差，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，該方法不適宜直接調(diào)節(jié)主管線(xiàn)上的閥門(mén)。

該方法施工方便，造價(jià)較低，可以在一定范圍內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓力。考慮到管道運(yùn)行安全，該方法一般只適用于特殊短暫工況。

3.工程案例

3.1 工程簡(jiǎn)介

河北省南水北調(diào)配套工程某輸水管線(xiàn)由某干渠中引水，取水口設(shè)加壓泵站。管線(xiàn)分為主管線(xiàn)，長(zhǎng)16km，管徑1.2m，管 材DIP。 A 支 管 線(xiàn)，長(zhǎng) 度0.22km，管徑0.5m，管材DIP，A 支管末端為M 水廠(chǎng)。B 支管線(xiàn)，長(zhǎng)度27km，管徑1.0m，管 材DIP，B 支 管 末 端 為N 水廠(chǎng)。為調(diào)節(jié)壓力，在A(yíng) 支管末端設(shè)有電動(dòng)調(diào)壓調(diào)流閥。 DIP 管材糙率取0.0122。輸水管線(xiàn)供水系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

設(shè)計(jì)工況下，取水口水位11.52m，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程55.5m，M 水廠(chǎng)配水井水位23.30m，N 水廠(chǎng)配水井水位21.00m。主管線(xiàn)流量1.15m3/s，A 支管流量0.3m3/s，B 支管流量0.85m3/s。設(shè)計(jì)工況下水頭損失及水位計(jì)算如表1 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，各支管末端水位滿(mǎn)足水廠(chǎng)配水井水位要求。

3.2 工程現(xiàn)狀存在問(wèn)題

由于近期M 和N 水廠(chǎng)用水量偏少，A 支線(xiàn)和B 支線(xiàn)實(shí)際輸水規(guī)模僅分別為0.15m3/s 和0.19m3/s，干線(xiàn)輸水規(guī)模為0.34m3/s，且近期內(nèi)持續(xù)維持此規(guī)模運(yùn)行，由此造成A 支線(xiàn)與B 支線(xiàn)調(diào)壓困難。

取水口泵站水泵為變頻水泵，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，小流量情況下水泵揚(yáng)程可以調(diào)節(jié)至滿(mǎn)足M 水廠(chǎng)供水。以A 支線(xiàn)管道末端水位作為初始條件，根據(jù)現(xiàn)狀水力條件進(jìn)行現(xiàn)狀水力復(fù)核。具體計(jì)算過(guò)程為：以M 水廠(chǎng)配水井水位作為A 支線(xiàn)管道末端水位，A 支線(xiàn)調(diào)流閥全開(kāi)(水頭損失最小)，反推主干線(xiàn)末端分水口水位，并以該水位作為B 支線(xiàn)水力計(jì)算的起點(diǎn)邊界條件復(fù)核B 支線(xiàn)末端水位。計(jì)算成果見(jiàn)表2、表3。

由表2、表3 可知，在滿(mǎn)足M 水廠(chǎng)0.15m3/s 供水要求情況下，B 支線(xiàn)0.19m3/s 供水時(shí)，B 支線(xiàn)末端水位27.9m，較配水井水位富裕水頭6.9m，對(duì)水廠(chǎng)配水井運(yùn)行造成一定困難，需采取調(diào)壓措施。

3.3 調(diào)壓設(shè)計(jì)

由于近期小流量供水僅為臨時(shí)短暫工況，增設(shè)電動(dòng)調(diào)流閥造價(jià)較高，且需增加較多土建項(xiàng)目及配套設(shè)施，工程占地較大，工期較長(zhǎng)。同時(shí)需設(shè)專(zhuān)門(mén)運(yùn)行管理崗位，后期運(yùn)行費(fèi)用高。經(jīng)綜合比選，為滿(mǎn)足近期短暫工況運(yùn)行，選用在B 支線(xiàn)末端增設(shè)旁通管的措施進(jìn)行調(diào)壓設(shè)計(jì)。旁通管布置如圖3 所示。

B 支線(xiàn)管道末端增設(shè)DN1000 蝶閥，管道小流量運(yùn)行時(shí)，該蝶閥運(yùn)行狀態(tài)為全關(guān)；蝶閥右側(cè)設(shè)旁通管，旁通管設(shè)蝶閥，小流量運(yùn)行時(shí)水流經(jīng)旁通管流至下游水廠(chǎng)。通過(guò)增設(shè)小管徑旁通管同時(shí)調(diào)節(jié)旁通管蝶閥開(kāi)度，增加水頭損失，以滿(mǎn)足N 水廠(chǎng)運(yùn)行水位要求。

旁通管管徑越小，消抵富裕水頭作用越大，但管徑過(guò)小使得管內(nèi)流速過(guò)大，不利于運(yùn)行安全，綜合考慮上述因素，經(jīng)水力試算，旁通管、蝶閥管徑選用DN300，管內(nèi)流速2.75m/s。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)?shù)y維持開(kāi)度53%時(shí)，可滿(mǎn)足調(diào)節(jié)要求，水力計(jì)算成見(jiàn)表4。

4.結(jié)論與建議

在輸水工程長(zhǎng)期運(yùn)行中，受供水目標(biāo)消納水量變化的影響，工程輸水量是不斷變化的。輸水量的變化將導(dǎo)致水壓變化，進(jìn)而帶來(lái)調(diào)壓?jiǎn)栴}，在長(zhǎng)距離輸水工程中更為明顯。因此，在長(zhǎng)距離輸水管道工程的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮工程運(yùn)行后可能存在的各種運(yùn)行工況，并提出相應(yīng)的調(diào)壓調(diào)流措施，保證工程正常運(yùn)行。

管道系統(tǒng)調(diào)壓措施包括設(shè)置調(diào)壓調(diào)流閥，調(diào)整管道糙率，增設(shè)旁通管等。不同的調(diào)壓措施優(yōu)缺點(diǎn)各異，應(yīng)用條件不同。管道調(diào)壓設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體工況需求采取適宜的調(diào)壓措施。

此文以河北省南水北調(diào)配套工程某輸水管線(xiàn)為工程實(shí)例，根據(jù)工程現(xiàn)狀存在的調(diào)壓?jiǎn)栴}，進(jìn)行調(diào)壓設(shè)計(jì)。由于近期小流量供水僅為臨時(shí)短暫工況，同時(shí)考慮到現(xiàn)有工程對(duì)增設(shè)調(diào)壓調(diào)流閥多種限制因素，為消除小流量工況下管線(xiàn)末端較大富裕水頭，依據(jù)水力復(fù)核計(jì)算結(jié)果，通過(guò)在管線(xiàn)末端增設(shè)旁通管，增大水頭損失，滿(mǎn)足配水井水位要求，使得輸水管線(xiàn)系統(tǒng)在小流量供水工況下保持正常運(yùn)行。

綜上所述，在工程實(shí)踐中，輸水管道調(diào)壓設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮調(diào)壓措施適用條件、調(diào)壓精度以及工程重要性、經(jīng)濟(jì)因素等，通過(guò)優(yōu)化比選，最終確定最優(yōu)調(diào)壓方案?！?/p>