淺析長距離大流量重力流輸水管道設計要點

高小濤 李紅帥 朱君妍

（1.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南 鄭州 450000；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

1 引言

隨著國民經濟的迅速發(fā)展， 人民生活水平的提高和城鎮(zhèn)化建設進程的加快，長距離輸水工程日益增多，工程的規(guī)模也越來越大，由此帶來的技術問題也愈發(fā)復雜。 因此，應嚴把施工、設備及閥門質量，同時輸水線路的優(yōu)化設計是重中之重。

圖1 某分水口門供水管線總平面示意圖

南水北調中線配套工程某分水口門年均分配水量23990 萬m3。 輸水主管線起點為分水口門后進水池出口，輸水主管道長度為80.2km，管徑為3.0m～2.6m。 支線總長30.95km，管徑為1.0m～2.4m。主管道設計流量為13.0m3/s，分水口門設計水位為96.05m，加大水位為96.45m，最低控制水位為95.52m。

2 管材選擇

隨著工程技術、新型材料的發(fā)展，我國引進了大量的新型管材和新的生產工藝， 為供水工程管材的選擇提供了更多的余地。 目前給水管材有多種， 但大都在鋼管（SP）、預應力鋼筋混凝土管（PCP）、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）、玻璃鋼管（GRP）、鋼塑復合管等中選擇。 各種管材都存在優(yōu)缺點，其對比詳見表1。

從安全方面考慮，鋼管、球墨鑄鐵管，PCCP 管比較安全，特別是在工作壓力高，管徑大，管線起伏較多的工程中。對于DN1000mm 以上的管徑，優(yōu)先選用預應力鋼筒混凝土管（PCCP），球墨鑄鐵管（DIP）價格較高，鋼管要特別注意防腐處理以延長使用壽命[1]。

表1 不同管材不同性能對比表（以工作壓力1.0MPa 為例）

本工程供水壓力小于1.0MPa， 管線周邊工程地質條件較好。 結合附近潛在管材供貨廠家情況，并考慮到大口徑PCCP 管具有耐久性好、抗震能力強、耐腐蝕性能好、使用壽命長等特點，而且大口徑管道價格相對便宜，主管線推薦采用PCCP 管材，管徑為DN3000mm 和DN2600mm，支管線管徑為DN1400mm、DN1600、DN2400mm， 管材均為PCCP 管材。 管線在穿河、過路等特殊地段采用鋼管。

3 管道附屬設備設計

輸水線路為一條主干線和五個分支管線組成的復雜供水系統(tǒng)，根據(jù)供水安全的需要，輸水線路沿線設置控制閥、檢修閥，進排氣閥、放水閥、流量計、調流調壓閥、壓力變送器、壓力表等附屬設備。 對整個供水系統(tǒng)的流量、壓力進行監(jiān)測和控制， 有效預防和消除水錘對系統(tǒng)造成的危害，保證供水系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.1 控制閥

輸水管道沿線控制閥的設置主要考慮沿線多分枝供水時，某一支線檢修不對其他支管線產生影響，因此在主管線上分支口處及支線的起端設置控制閥。 控制閥井內設電動閥門、壓力表和壓力變送器，閥件儀表信號輸送至就近管理房內的控制系統(tǒng)進行控制。 控制閥采用電動蝶閥，閥前閥后分別設置壓力表、壓力變送器、直徑DN3000的蝶閥，采用DN800 半球閥作為控制閥的旁通閥。

3.2 進排氣閥

輸水管道在啟動、檢修和正常運行過程中，均需要補氣或排氣。 在輸水線路沿線上坡段、下坡段、長水平段和凸頂點、坡度變陡點等起伏變化部分置進排氣閥。 閥門間距按約0.8～1.0km 設置一個， 可以滿足管道進排氣需求，同時根據(jù)過渡過程模擬計算， 在特殊位置適當加密進排氣閥可以有效預防水錘。 根據(jù)水錘計算成果，管道沿線設置含檢修人孔的進排氣三通，并配置檢修閥和雙排氣閥。直徑3m 的管道，其單個進排氣閥均為DN300，直徑2.6m的管道，其單個進排氣閥均為DN250。

3.3 檢修閥

輸水主管道長度約80.2km， 屬于長距離輸水管道工程。 根據(jù)規(guī)范要求一般每5～10km 設置1 處檢修井，在穿越大型河道、鐵路、公路處也應考慮設置檢修閥，在安裝水力控制閥，如減壓閥、流量計等閥件的地方也應布置檢修閥。 考慮到管道運行、安裝、更換的方便，每個檢修閥處配套設置可拆式松套傳力接頭。

3.4 放空閥

放空閥的作用是在檢修時，放空部分管段內的水，放空閥一般設置在線路的最低點。 放空閥設計主要考慮放空時間t 及避開管道沿線的農田和建筑物?？紤]到放空時水量較大，根據(jù)管道的實際布置，在有河流、溝渠的地方設置放空閥， 檢修時， 管道中的水就近放至河流或溝渠中。 經綜合考慮，直徑3m 的管道，放空閥為DN600，直徑2.6m 的管道，放空閥為DN500，可以滿足管道檢修及放空的要求。

3.5 流量計

流量計設置在輸水總管進口處及各支管線的末端，以計量管道的輸送水量和水廠接收的水量， 為動態(tài)控制提供流量數(shù)據(jù)。

根據(jù)國內外流量計生產運行實際， 經比較管道直徑大于1.6m 選用超聲波流量計，小口徑管道選用電磁流量計。 超聲波流量計選用五聲道及以上， 測量精度等級取0.5 級，不僅可以顯示瞬間流量和累計流量，還可以在流量發(fā)生超常變化時發(fā)出報警。 流量計與自動監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網，自動監(jiān)控各測量點的流量及變化。 在流量計前的檢修井內設置1 臺壓力變送器，以便監(jiān)測管道壓力，流量計設置旁通閥，可以保證在檢修或更換流量計時，輸水管道正常運行。

3.6 調節(jié)閥

為避免管道產生大幅度的波動， 維持管道出口處恒定流量，保證出口處的壓力水頭，需要在管道末端設置調節(jié)閥。 為了在調節(jié)閥檢修維護時不斷流，需在該位置設旁通管。 在調節(jié)前設流量計，通過流量信號對調節(jié)閥進行控制。 在調節(jié)閥后和流量計前設旁通管。

經過水力過渡過程分析計算， 并結合調流調壓閥的生產制造能力， 對于主管徑DN2600 的輸水管道末端，并聯(lián)設置調節(jié)閥2 個， 閥徑均為DN1600， 壓力等級PN1.0MPa。支管線管徑DN2400，并聯(lián)設置調節(jié)閥2 個，閥徑均為DN1600，壓力等級PN1.0MPa。 對于沿線分支管線均設置流量調節(jié)閥。

4 管線水錘防護

本工程屬于重力流輸水工程，且屬大流量、長距離供水工程，在實際運行過程中，運行工況復雜，在工況切換過程中整個輸水系統(tǒng)會發(fā)生水力過渡過程現(xiàn)象。 該水力過渡過程不僅持續(xù)時間長， 而且將引起管線壓力及供水流量發(fā)生較大幅度的變化， 嚴重威脅整個輸水系統(tǒng)的供水安全。 因此，對其水力過程進行模擬計算，并采用合理措施進行事故防范是保證本工程安全供水的關鍵。

4.1 分析計算

采用Bentley.Hammer 水錘分析計算軟件進行建模，將沿線輸水管道特征參數(shù)輸入模型。 經過多次模擬分析，最終確保管道在正常運行工況、關閥、開閥、爆管工況下，管道沿線無負壓， 管道的最大水錘壓力在管道正常壓力值范圍內。

4.2 水錘安全防護

經過計算分析， 在主管線樁號K32+900 附近設置一座雙向調壓塔， 斷面直徑為15.0m， 其頂部高程為101.0m；在樁號K32+900 附近設置一座單向調壓塔，斷面直徑為10.0m，其頂部高程為66.50m；在樁號K68+520 附近設置一座單向調壓塔， 斷面直徑為10.00m， 頂高程為59.81m。

4.2.1 各支線水廠端閥門單獨關閉時的防護要求

在各個支線水廠正常運行工況下， 當支線需要停水時， 規(guī)劃水廠01、02、03、04 支線末端水廠閥門可以較快關閉。 其中規(guī)劃水廠01 閥門關閉時間應大于50s，規(guī)劃水廠03 閥門關閉時間應大于42s，規(guī)劃水廠04 閥門關閉時間應大于50s，規(guī)劃水廠02 閥門關閉時間應大于40s。 規(guī)劃水廠05 單獨關閉閥門時，水廠閥門的關閉時間應大于420s。

4.2.2 各支線水廠端閥門同時關閥

對于同時關閥工況，為滿足各管段的壓力控制標準，規(guī)劃水廠01、02、03、04、05 閥門關閉時間應分別不小于75s、162s、210s、233s、1940s。

4.2.3 各支線水廠端閥門依次開閥

當分水口門進水池為最低水位時， 為確保各管段不出現(xiàn)負壓，按先后順序，規(guī)劃水廠05、04、03、02、01 末端閥 門 開 閥 時 間 應 分 別 不 小 于3080s、620s、900s、710s、850s。

在輸水線路上設置3 座調壓塔后， 各支線末端設置調流調壓閥，按計算給定的開、關閥規(guī)律和時間運行，可有效防護管道正常運行爆管工況下產生的水錘。

5 結論與建議

多分枝長距離供水的關鍵是流量分配和管網的水錘預防。 在滿足供水對象對流量的需求的前提下，進行過渡過程模擬，通過沿線流量調節(jié)、自動控制來實現(xiàn)長距離安全輸水是本供水設計的關鍵。

5.1 工程設計應能保證供水安全。尤其對長距離、多分枝管道的水錘計算防護是重點，根據(jù)計算成果，沿線應設置排氣、檢修、調流調壓、調壓塔等安全措施，保證安全供水。

5.2 工程設計應能滿足經濟合理、技術可行的要求。管徑應能滿足過流量需求， 管材應能適合當?shù)氐牡刭|條件，交叉管線或穿越建筑物的施工應考慮方案的可行性。

5.3 工程設計中應考慮后期運行維護的方便。 管道建成后運行過程中難免會發(fā)生爆管、泄漏情況，或遭到破壞，因此在設計過程中考慮檢修道路是非常有必要的。

［1］馬俊青，鞠厚磊.南水北調配套工程輸水管道設計中問題的探討［J］.河南水利與南水北調，2011（7）:34-36.