雙管式溢流穩(wěn)壓塔技術(shù)研究及應(yīng)用

周慶春

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧 沈陽 110006）

1 課題背景

遼寧省大伙房水庫輸水（二期）工程的主要任務(wù)是將渾江調(diào)來的水經(jīng)大伙房水庫調(diào)節(jié)后有效配置給遼寧中部地區(qū)的撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦等6個缺水城市，是老工業(yè)基地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和改造、沿海經(jīng)濟帶開發(fā)的重要區(qū)域性水資源配置工程，涉水人口上千萬。工程分兩步實施，一是工程設(shè)計水平年為2015年，輸水量為327萬t/d；二是工程設(shè)計水平年為2030年，輸水量為504萬t/d。

二期工程恒定流計算過程中，為解決靜水壓力問題，設(shè)置了4座雙向穩(wěn)壓塔，考慮水力過渡過程計算結(jié)果的要求，又增設(shè)了2座雙向穩(wěn)壓塔，共設(shè)置了6座雙向穩(wěn)壓塔，塔高為38～50m高。傳統(tǒng)的雙向溢流穩(wěn)壓塔造價高，為降低工程造價，有必要研究一種簡單易行的雙向穩(wěn)壓塔，要求既能大量溢流，又能及時向管道中補水，以消除水力過渡過程中的壓力波動。為此，課題組提出了雙管式溢流穩(wěn)壓塔（倒“U”型）。

2 倒“U”型穩(wěn)壓塔結(jié)構(gòu)示意圖

倒“U”型穩(wěn)壓塔主要結(jié)構(gòu)由上水豎管、 下水豎管、整流孔板、90°彎頭、水平進出水管和空氣閥組成，其結(jié)構(gòu)形式見圖1 。

其主要工作原理是當(dāng)管路測壓管⑩水頭大于上水豎管高程時，在塔頂產(chǎn)生溢流，經(jīng)下水豎管⑥和水平出水管⑨將水排出溢流塔，達到減小管路壓力和大量泄水的目的。

目前國內(nèi)多采用圓筒式溢流塔，其技術(shù)方案是，在塔頂設(shè)堰下水室，匯集堰下水流入溢流水道，然后在地面設(shè)消力池和排水渠。這種溢流塔上部結(jié)構(gòu)體積龐大、復(fù)雜，在高出地面25～55m的情況下，塔身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，施工難度大,投資多。同時在管路事故關(guān)閥后,很難快速泄流。

倒“U”型穩(wěn)壓塔全部采用密閉管道連接，結(jié)構(gòu)簡單，施工容易，塔身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，適用于穩(wěn)壓塔塔身高的水系統(tǒng)。不但能及時穩(wěn)定地釋放主管道產(chǎn)生的瞬間高壓，同時還可排除主管道系統(tǒng)的大量泄水，確保主管道系統(tǒng)的運行安全。

3 倒“U”型穩(wěn)壓塔的功能及技術(shù)特點

3.1 倒“U”型穩(wěn)壓塔的功能

(1) 起到消除水系統(tǒng)管道中的水錘，并可避免二次水錘發(fā)生的作用。

(2) 起到向主管道系統(tǒng)補水的作用，防止管道產(chǎn)生真空、拉斷的作用。

(3) 起到避免水系統(tǒng)靜壓超壓發(fā)生，并可大量泄水的作用。

圖1 倒“U”型穩(wěn)壓塔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 倒“U”型管的技術(shù)特點

（1）整流環(huán)的尺寸。整流環(huán)的尺寸大小直接影響倒U 型管內(nèi)流體的流動特性，尺寸太大，起不到減小彎頭影響的作用，尺寸太小，容易在整流環(huán)后面產(chǎn)生二次流，而且會增加管道內(nèi)的流動阻力,對垂直管內(nèi)的流動產(chǎn)生新的影響。通過大量的數(shù)值計算反復(fù)驗證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)整流環(huán)尺寸為0.8≤d/d0≤ 0.9時，整流作用顯著，而且不會對垂直管內(nèi)的流動產(chǎn)生新的影響。整流環(huán)抑制了彎頭對流動的影響。

（2）整流環(huán)的效果。通過整流環(huán)整流后3d～5 d內(nèi)的距離水流達到穩(wěn)定，即整流裝置對管內(nèi)單相流動起到了穩(wěn)定的作用。

（3）整流環(huán)的位置。若第一個整流環(huán)（消能孔板）太靠近塔頂，容易使管中水充滿，影響進氣，而導(dǎo)致豎管負(fù)壓較大。出水豎管的上半部布置一個以上整流環(huán)，下半部應(yīng)布置一個以上整流環(huán)。豎管上面第一個整流環(huán)應(yīng)布置在距塔頂溢流水位不超過8m為宜。

（4）塔頂進排氣。進氣是本溢流塔的一個關(guān)鍵因素，進氣量太少，在下水豎管中容易產(chǎn)生負(fù)壓，會引起空蝕；進氣量太多，又會使水平出水管產(chǎn)生水，氣兩相流，流態(tài)不穩(wěn)，故要嚴(yán)格設(shè)定進氣孔的大小和數(shù)量。

排氣的作用主要是考慮起初運行時的排氣和正常運行時排除水中溶解的空氣。

起初運行時是排除塔內(nèi)進水流量的等量排氣量。正常運行時考慮水中溶解空氣量按1.0%～2.0%考慮。

（5）倒“U”型管的循環(huán)管。為保證倒“U”型管內(nèi)水質(zhì)潔凈，應(yīng)在塔內(nèi)正常高水位一定深度下設(shè)置一根循環(huán)管，其上設(shè)置一個電動閥門，可定期將上水豎管內(nèi)的水排放至下水豎管內(nèi)。

（6）水墊層。為了減少塔頂部溢流的水流對下部的沖擊，同時考慮水流跌水至底部后的摻氣問題，應(yīng)在出水豎管底部設(shè)置一定深度的水墊層，水墊層的厚度應(yīng)為溢流高度的1/3～1/4。

考慮出水水平管的流態(tài)，避免明滿流交替發(fā)生，應(yīng)保證水平出水管頂有一定的淹沒深度，其深度應(yīng)為出水管一倍管徑的深度。

（7）倒“U”型管的保溫。在寒冷地區(qū)，倒“U”型管需做外保溫，保溫可采用電伴熱帶和巖棉保溫。電伴熱帶可根據(jù)塔內(nèi)水溫的情況自動加熱，以保證水不結(jié)冰。

4 倒“U”型管穩(wěn)壓塔與傳統(tǒng)穩(wěn)壓塔的比較

傳統(tǒng)式穩(wěn)壓塔多采用帶豎管式穩(wěn)壓塔,其上部中心為圓形溢流池，上水豎管進入溢流池后，通過跌水堰溢流至環(huán)形集水槽，然后通過下水豎管排至塔外。大伙房水庫輸水（二期）工程如果采用帶豎管式穩(wěn)壓塔，其上部溢流池僅水的有效容積為2000m3，維護結(jié)構(gòu)的平面尺寸為27m×27m，高出地面50m的水池的重量靠塔體承擔(dān)，塔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

倒“U”型管結(jié)構(gòu)，維護結(jié)構(gòu)平面尺寸僅為14.5m×14.5m，而且塔體上部僅為DN3000的鋼管結(jié)構(gòu)，水的有效容積僅為70m3，其重量由鋼管本身承擔(dān)，維護結(jié)構(gòu)僅承擔(dān)鋼管及自身的穩(wěn)定，維護結(jié)構(gòu)相對簡單。

對于 50m高的穩(wěn)壓塔，倒“U”型管穩(wěn)壓塔工程造價為820萬元，傳統(tǒng)式帶豎管穩(wěn)壓塔工程造價為2146萬元，可見，倒“U”型管穩(wěn)壓塔要比傳統(tǒng)式穩(wěn)壓塔省近2/3。

5 倒“U”型管穩(wěn)壓塔的應(yīng)用

倒“U”型管穩(wěn)壓塔已成功應(yīng)用在大伙房水庫輸水（二期）工程中，在工程長154.6 km的PCCP管道上共設(shè) 6座雙向倒“U”型管穩(wěn)壓塔，在實際運行中起到了很好的防水錘、防真空和防靜壓超壓作用，對管道安全運行提供了很好的保障作用。