長(zhǎng)距離倒虹吸重力輸水管線過(guò)流能力影響因素

陳雪峰

0 引言

該輸水工程總長(zhǎng)22.59 km，采用φ600預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管輸水，降雨徑流進(jìn)入水庫(kù)后經(jīng)集水井重力流入凈水廠混合井。集水井最低水位455.50 m，水廠混合井設(shè)計(jì)水位369.00 m，進(jìn)出口水位高差86.50 m，管道最低點(diǎn)高程347.92 m，見(jiàn)圖1。

圖1 輸水管道縱斷面示意圖（單位：m）

工程設(shè)計(jì)文件中論述:管道經(jīng)濟(jì)流速一般在0.6 m/s～2.25 m/s，選用φ600管合理可行，符合流速及水頭要求，對(duì)應(yīng)計(jì)算表見(jiàn)表1。

表1 輸水管道相關(guān)參數(shù)計(jì)算表

從表1可以看出在流量1 350 m3/h時(shí)，總水頭損失80.63 m。由于進(jìn)出口水位高差達(dá)86.50 m，能量尚未消耗完，因此該工程設(shè)計(jì)最大輸水流量可以達(dá)到1 350 m3/h。

該工程于1993年10月竣工運(yùn)行至今已18年，輸水流量在前10年控制在1 100 m3/h左右，以后均控制在900 m3/h～1 000 m3/h。因?yàn)樵谳斔髁砍^(guò)1 100 m3/h時(shí)，極易發(fā)生爆管或漏水事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)在15次爆管或漏水事故中，輸水流量均在1 100 m3/h～1 400 m3/h范圍，而且發(fā)生區(qū)段均在樁號(hào)9+500～13+200處，該段也是倒虹吸最低段。

輸水流量降低，嚴(yán)重影響了工程效益的發(fā)揮，究竟是什么原因造成的，筆者對(duì)此進(jìn)行了分析探討。

1 原因的分析查找

管道輸水能力無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)效果，首先應(yīng)對(duì)其管徑、水量、水壓等主要指標(biāo)進(jìn)行水力驗(yàn)算分析，查找原因。

1.1 輸水管口徑的水力驗(yàn)算

集水井和水廠混合井水位高差H=86.50 m。

管道粗糙系數(shù)n=0.012 5。

水力半徑:

曼寧公式:

沿程水頭損失系數(shù):

由于局部水頭損失很小，在此忽略不計(jì)。

即Q=1 423 m3/h。

從上述計(jì)算中知:600口徑預(yù)應(yīng)力混凝土管道在管線全部為有壓流時(shí)，其輸水能力可以達(dá)到設(shè)計(jì)最大流量1 350 m3/h。由此可斷定管道的設(shè)計(jì)口徑600完全滿足輸水能力需要，不是造成輸水能力降低的原因。

則:

1.2 輸水管路壓力的水力驗(yàn)算

壓力管道在運(yùn)行和關(guān)閉時(shí)所承受的壓力一般有三種:

1)閘閥關(guān)閉承受的靜水壓力;

2)運(yùn)行狀態(tài)下承受的動(dòng)水壓力;

3)開(kāi)關(guān)閥門或流速變化產(chǎn)生的水擊壓強(qiáng)(水錘)。

1.2.1 最大靜水壓力

最高點(diǎn)水位455.50 m，管道最低點(diǎn)高程347.92 m。

輸水管線最大靜水壓力為107.58 m水頭，在樁號(hào)12+650處。

1.2.2 最大動(dòng)水壓力

最大動(dòng)水壓力一般應(yīng)在倒虹吸底部區(qū)段。根據(jù)恒定流能量方程(伯努利方程)推算出最大動(dòng)水壓力為59.27 m，在樁號(hào)10+820處。

計(jì)算方法如下:

按總水頭損失86.50 m考慮，水流至樁號(hào)10+820處，水頭損失為此處管線高程為354.80 m，與進(jìn)水口水位高差為100.70 m，所以該樁號(hào)處動(dòng)水壓力為100.70－41.43=59.27 m 水頭。

通過(guò)上述計(jì)算方法可推算出管線各點(diǎn)動(dòng)水壓力值，繪制動(dòng)水壓力線，可找出最大動(dòng)水壓力值。由于動(dòng)水壓力小于靜水壓力，在此就不贅述了。此推算均是在管線全線為有壓流時(shí)的計(jì)算方法。因?yàn)樵谒魉傩∮谠O(shè)計(jì)最大流速時(shí)，進(jìn)水口管道有一段無(wú)壓流，此時(shí)計(jì)算動(dòng)水壓力應(yīng)從水廠混合井位置向上游推算。

1.2.3 管路水擊壓強(qiáng)(水錘)

在流速發(fā)生變化時(shí)就會(huì)有水錘產(chǎn)生，為簡(jiǎn)便計(jì)算，選取在進(jìn)水廠閥門關(guān)閉情況下產(chǎn)生水錘來(lái)驗(yàn)算。當(dāng)水廠進(jìn)水閥以T=60 s完成關(guān)閉時(shí)，水擊傳播速度:

其中，ρ為水密度;υ為水流速;l為管長(zhǎng);T為閥門完全關(guān)閉時(shí)間。

即在閥門處水擊壓強(qiáng)為100 m水頭。

對(duì)于間接水擊，升壓時(shí)水擊壓強(qiáng)從閥門向管子進(jìn)口(該處Δp=0)作線性遞減推算在虹吸管底部區(qū)段的水擊壓強(qiáng)。

所以管中產(chǎn)生的水錘為間接水擊。

發(fā)生水錘時(shí):

在樁號(hào)10+820處，管道承壓107.17 m水頭。

在樁號(hào)12+650處，管道承壓115.14 m水頭。

由于水擊壓強(qiáng)的形成非常復(fù)雜，計(jì)算只是近似值，而且閥門操作不當(dāng)時(shí)水錘會(huì)更大;預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管道運(yùn)行一定時(shí)期后，不可避免會(huì)產(chǎn)生保護(hù)層脫落、鋼筋銹蝕、裂隙等情況，管道的承壓能力會(huì)大為降低;通過(guò)驗(yàn)算輸水管線倒虹吸底部區(qū)段的工作壓力(水錘)為115.14 m水頭(1.15 MPa)。鑒于上述因素考慮，管材承壓選擇應(yīng)上浮一個(gè)級(jí)別，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)承壓設(shè)計(jì)應(yīng)取1.2倍～1.3倍系數(shù)確定，即設(shè)計(jì)承壓力應(yīng)為1.6 MPa，所以選取承壓在1.6 MPa的管道較為安全合理。而實(shí)際在輸水管線工程倒虹吸底部區(qū)段采用的為1.2 MPa管道，明顯不安全，極易發(fā)生爆管漏水事故。

在樁號(hào)10+820處，動(dòng)水壓強(qiáng)值59.27 m水頭。

1.3 影響輸水能力的其他因素

1)倒虹吸底部區(qū)段管道許多彎管部位，由于閥門開(kāi)關(guān)和流量變化產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊力后會(huì)發(fā)生管道接口脫出，出現(xiàn)漏水事故。在實(shí)際運(yùn)行中也發(fā)生過(guò)三次此類事故。根據(jù)生產(chǎn)廠家提供，在靜水壓力100 m水頭時(shí)，30°～60°彎頭的承受壓力為15 t～30 t。

2)在爆管搶修中，發(fā)現(xiàn)管壁附著淤泥厚達(dá)2 cm～5 cm，使輸水有效口徑減小，直接導(dǎo)致過(guò)流能力降低，管壁變厚也是增大水擊壓強(qiáng)的原因之一。

3)管路沿線氣閥口徑為80 mm，從運(yùn)行中觀察存在排氣能力不足的問(wèn)題，大量空氣積聚產(chǎn)生氣囊會(huì)降低水流速，增大水擊壓強(qiáng)。

4)管道使用時(shí)間長(zhǎng)，個(gè)別部位鋼筋銹蝕，強(qiáng)度降低，管材承壓能力下降。

5)閥門開(kāi)關(guān)操作不規(guī)范，流量變化頻繁，都會(huì)增加水錘危害。

2 增大過(guò)流能力的有效辦法

通過(guò)對(duì)輸水管路水力驗(yàn)算和影響因素的分析查找，應(yīng)采取對(duì)癥下藥的辦法，逐一解決。

2.1 更換倒虹吸底部區(qū)段管道

由于爆管或漏水事故均發(fā)生在樁號(hào)9+500～13+200處約3.7 km長(zhǎng)的管段，所以應(yīng)更換此段管道，管材可采用承壓1.6 MPa的鋼筋預(yù)應(yīng)力混凝土管或球墨鑄鐵管，這樣輸水流量可以達(dá)到1 350 m3/h，運(yùn)行操作合理就不會(huì)發(fā)生爆管漏水事故。更新投資約需600萬(wàn)元，即可發(fā)揮該輸水工程的最大效益。

2.2 增設(shè)止推墩

為防止倒虹吸底部區(qū)段上升或下降彎管受水錘沖擊脫落，應(yīng)在彎管部位設(shè)置混凝土止推墩。

2.3 沖洗管道淤泥

利用水力坡度和泄水閥大水量分段沖洗管道淤泥。尤其在汛期，水庫(kù)水來(lái)源于降雨徑流，濁度高，泥沙含量大，管道中沉積量就大，應(yīng)定期進(jìn)行沖洗。

2.4 更換氣閥

該輸水管線距離長(zhǎng)，倒虹吸重力流，運(yùn)行工況復(fù)雜，排氣功能必須強(qiáng)大有效。按經(jīng)驗(yàn)比例1∶8～1∶12(排氣閥口徑∶管徑)選擇排氣閥就滿足不了需要。將80 mm口徑排氣閥更換為150 mm～200 mm口徑排氣閥較為安全合理。

2.5 操作規(guī)范科學(xué)調(diào)度

在運(yùn)行中，應(yīng)規(guī)范操作科學(xué)調(diào)度，減少閥門開(kāi)關(guān)頻率，盡量保證水流速平穩(wěn)連續(xù)。閥門開(kāi)關(guān)完成時(shí)間應(yīng)控制在45 min以上，并做到緩慢勻速操作。

[1]周善生.水力學(xué)[M］.北京:人民教育出版社，1982.

[2]石橋多聞.給水工程的事故與防治措施[M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1982.

[3]劉乃力.長(zhǎng)距離輸水管線管道試壓方法的探討[J］.山西建筑，2011，37(7):108-109.