山丘區(qū)長距離高揚程管道輸水工程設(shè)計探討

□李志宏 □梁 濤 □王玉新（平頂山市水利勘測設(shè)計院）

0 前言

山丘區(qū)長距離輸水工程中管線長，流量大，管中流速一般較大，沿線地形起伏點多，多處山丘頂點比管末端出口高程大。在以往的設(shè)計中，由于受動力設(shè)備及輸水管材的限制，多采用多級加壓泵站與高位蓄水池的方式實現(xiàn)，不僅增加占地、投資，而且后期管理麻煩及運行費增加。隨著水泵技術(shù)的發(fā)展，長距離輸水工程的設(shè)計得以優(yōu)化。本文結(jié)合工程實例，從水泵選型，水錘防護，管材選擇等方面談幾點看法，可為同類工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

華中地區(qū)的某山丘區(qū)長距離輸水工程全長21.40km，以水庫為水源，設(shè)計輸水流量800m3/h，取水口高程159.50m，中途最低點高度155.40m，最高點高度263.40m，出水口高度為199.25m，全線最大高差108m。

2 水泵選擇

水泵選型是長距離輸水工程的重要問題，它不僅直接影響到工程是否穩(wěn)定安全運行，也關(guān)系到工程投資運行費用以及是否滿足供水要求等。水泵選型依據(jù)，應(yīng)根據(jù)工藝流程，給排水要求，使所選泵的型式和性能符合裝置流量、揚程、壓力、溫度、汽蝕流量、吸程等工藝參數(shù)的要求。經(jīng)濟上滿足設(shè)備費、運轉(zhuǎn)費、維修費和管理費的總成本最低的要求。一般多選用離心泵，它具有轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、效率高、流量大、結(jié)構(gòu)簡單、輸液無脈動、性能平穩(wěn)、容易操作和維修方便等特點。若揚程很低，流量很大時，可選用軸流泵和混流泵。在一般情況下，泵站揚程<10m，宜選用軸流泵；5～20m 時宜選用混流泵；20～100m 時宜選用單級離心泵，>100m 時可選用多級離心泵或其他類型的水泵。結(jié)合本工程實際根據(jù)裝置的布置、地形條件、水位條件、運轉(zhuǎn)條件，比選了臥式、立式和斜式3 種泵型。臥式泵安裝精度要求低，檢修方便，機組造價較便宜，泵房高度較小；但在啟動前必須充水，泵房的平面尺寸較大，且需要采用防洪措施。立式泵占地面積較小，葉輪淹沒于水下起動方便。動力機層較高，有利于防洪和通風(fēng)。適用于水源水位變幅較大的場合。斜式泵適用于低揚程泵站，且需要專門的支承結(jié)構(gòu)。最終選用了立式長軸泵，它具有流量大，揚程高的特點，適用于流量30～7000m3/h，揚程7～200m。實現(xiàn)了一泵加壓翻越多個起伏較大的山丘，比采用傳統(tǒng)的多級加壓泵站結(jié)合高位蓄水池的方式，節(jié)省了投資，減少了后期管理運行費。綜合分析水源加壓泵采用350LB-50 ×3 立式長軸泵，一用一備，流量800m3/h，揚程150m，功率560kW。值得一提的是，在計算水頭損失時，因山丘區(qū)起伏較大，流速不均應(yīng)適當(dāng)加大水頭損失，為水泵揚程選擇留有富裕度。

3 管材選取

輸水工程管材的比選對節(jié)約投資、方便施工意義重大。目前常用的輸水管材主要有鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、玻璃鋼夾砂管及PE、UPVC 等塑料管材。塑料管材口徑較小不能滿足較大流量輸水工程的需要；玻璃鋼夾砂管剛度相對較小，脆性大，不適合多起伏的山丘區(qū)。鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管都是工程中常用的管材，適用于工作壓力較高，管徑不太大的情況。管材的選擇一般要從工程的規(guī)模、重要性、管道的直徑、工作壓力，輸水距離的長短，以及工程所在地的地形、地貌、地質(zhì)情況，外部荷載，工期要求，當(dāng)?shù)毓懿牡纳a(chǎn)狀況，應(yīng)用管材的習(xí)慣，資金落實情況等方面進行比較后確定。球墨鑄鐵管對于較軟弱管基，接口處容易產(chǎn)生變形，影響管道敷設(shè)質(zhì)量。預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管自重較大，運輸和施工不太方便。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管接口需要特殊處理，造價高。

本工程選用螺旋焊接鋼管，管道直徑DN630mm，厚度約10mm。它不僅滿足當(dāng)?shù)貞?yīng)用管材的習(xí)慣，有充足的資源；而且鋼管材質(zhì)較輕，強度高，韌性好，焊接口密封性高，可制成各種折線型，適用于地面起伏大的地段，對地基不均勻沉降適應(yīng)能力強。但需要特別注意防腐處理，它直接影響輸水工程的壽命，根據(jù)工程經(jīng)驗，建議采用工廠內(nèi)完成內(nèi)外防腐的處理。

4 水錘防護

水錘現(xiàn)象是指在壓力管道中由于流速的劇烈變化引起動量轉(zhuǎn)換，從而在管道中引起一系列急驟的壓力交換升級的水力撞擊現(xiàn)象。在地形復(fù)雜、高低起伏較大的長距離壓力管道輸水中尤為突出。管道中水流速度變化時常發(fā)生，致使管道中的水壓力升高或降低，在壓力低于水的汽化壓力時，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔，在空腔處的水流彌合時將產(chǎn)生強烈的撞擊，管道中的水升壓，形成水錘。水錘有啟動水錘、關(guān)閉水錘、停泵水錘。由于突然停電或事故停泵所產(chǎn)生的水錘往往較大，水錘壓力值可達到工作壓力的1.50～3 倍。輕則造成水管爆裂，造成暫時供水中斷事故；重則造成設(shè)備損壞，傷及操作人員等災(zāi)害。水錘防護至關(guān)重要，結(jié)合工程實際對泵站和管線的水錘防護，應(yīng)具體分析，預(yù)防為主，綜合防護。

本次工程設(shè)計從以下幾點考慮：①根據(jù)《給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計》，在管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮了設(shè)計內(nèi)水壓力取管道工作壓力的1.50 倍；②在水泵出口處安裝相應(yīng)管徑、相應(yīng)壓力等級的多功能水泵控制閥，它作為工作閥和事故閥門使用，電動蝶閥作為檢修閥門使用，能有效地削減水錘壓力峰值，具有緩閉止回閥、電動閥兩種閥門的功能，操作管理上更方便、實用；③為滿足管線安全運行的基本防護，結(jié)合地形起伏，在駝峰處布設(shè)排氣閥20 個；④在管道地點設(shè)置排水閥18 個；⑤在適當(dāng)?shù)牡胤皆O(shè)置超壓減壓閥3 個；⑥防止水錘過程中管道水倒流設(shè)置止回閥6 個。

5 結(jié)束語

該工程已經(jīng)投入使用3年，運行狀況良好，發(fā)揮著一定的經(jīng)濟效益。類似的山丘區(qū)長距離高揚程管道輸水逐年增加，筆者結(jié)合工程實際，在水泵選型，水錘防護，管材選擇等幾個主要方面加以論述，為類似工程設(shè)計提供參考。此外，設(shè)計者還應(yīng)結(jié)合工程實際，在管道線路選擇、水頭損失、揚程計算、管道的經(jīng)濟流速、管壁厚度等方面進一步計算和研究，綜合分析為長距離輸水提供技術(shù)支撐，為投資者提供決策依據(jù)。

[1]劉鳳英.長距離管道輸水工程的管材選用[J].河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報.2007，No3.

[2]金錐，姜乃昌，王興華，等.停泵水錘及其防護[M].第二版.北京中國建筑工業(yè)出版社.