長距離輸水管道中減壓措施的研究

□李云霞（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司）

0 引言

隨著跨流域調(diào)水輸水工程的逐漸增多，輸水管道的安全問題也日益突出。因此，對長距離、大落差輸水工程必須采取一定的減壓措施。文章主要結(jié)合工程實例分析長距離輸水管道中減壓措施。

1 工程概況

新疆沙灣縣第三水源地工程是解決沙灣縣城未來城市缺水的重要工程，該工程主要由取水工程、輸水工程、第三水廠以及配水干管四部分組成。工程建設任務是解決縣城居民生活、公共用水及工業(yè)用水。此工程年供水量為2000萬m3，設計引水流量為1.24m3/s，水廠日處理規(guī)模為10萬m3/d；工程輸水管線長18.68 km，總落差為220m。為節(jié)省投資、方便管理，提高供水保證率，此工程充分利用地形落差，采用無壓重力輸水+有壓重力輸水方式輸水。

2 長距離輸水管道中壓力特點和減壓方式

2.1 長距離輸水管道中壓力特點

近幾年，長距離輸水管道被越來越多的應用于大型供水工程中，這類供水工程的正常運行需要利用較高的地勢特點，利用高度差產(chǎn)生的壓力進行調(diào)水。它的壓力由動力水壓和靜水壓組成，所以控制管道水壓是解決調(diào)水安全的關(guān)鍵。

此工程管道總長度18.68 km，輸水流量為1.24m3/s,地形總落差為220m，供水目的地需預留20m的水頭。通?？筛鶕?jù)具體的地勢特點選擇輸水管道的材質(zhì)，一般使用承壓能力較強的PCCP管和球墨鑄鐵管。承壓重力輸水系統(tǒng)的設計原理是利用地形高度差產(chǎn)生的壓力完成整個輸水過程。在長距離輸水管道中首先應解決的問題是減弱水流對輸水管道壓力的問題，以提高輸水管道的安全性。此工程的最大落差為220m，此落差已經(jīng)超過了管道的承壓能力，所以必須采取一定的減壓措施降低水頭，以保證工作水頭不超過管道的承壓能力。

2.2 長距離輸水管道減壓方式

2.2.1 減壓閥

此工程采用的減壓方式可以分為兩種，一種是減壓閥減壓，另一種是減壓池減壓。其中減壓閥減壓是根據(jù)輸水工程首末點地形總落差，供水區(qū)對壓力的要求以及管道壓力能力等按照地形的高低把輸水管線進行分段處理。然后在不同的高度位置上設置減壓閥，根據(jù)減壓閥所能達到的減壓比設置閥后壓力，以保證閥后壓力在管道承壓能力范圍之內(nèi)。

2.2.2 減壓池的設置

另一種減壓方式是減壓池的設置，此減壓方式根據(jù)輸水工程首末點地形總落差，以在不同的高度位置上設置減壓池水位作為起始點，以便于向下部管道供水，在此過程中要注意每個減壓池控制1個小區(qū)的供水。

2.3 分段減壓消能

長距離輸水管道工程特點一般是距離長、落差大、流量大等，本工程輸水管道地形落差為220m，管道長18.68 km，流量為1.24m3/s。如此長的管線和如此大的落差如果不進行管線分段，在強大的水錘壓力下要選擇經(jīng)久耐用、經(jīng)濟合理的管材，困難較大。因此，必須考慮分段設置減壓設施，實施分段減壓消能。把一條長管道分割為若干段不連續(xù)的管道，在每一個管道的末尾部分設置閘閥和消能設施，這樣就能夠起到較好的分壓作用，大大減小了水錘的壓力，從而減少管道的工作壓力，而且減壓設施也能夠消除因為管道設計存在的問題而產(chǎn)生的剩余水頭。

減壓設施可以分為三部分，一部分為消能設施、一部分為控制流量大小的閘、閥，另一部分為穩(wěn)壓池。閘、閥門的設施要根據(jù)具體工程大小進行合理設計；消能設施一般采用消力池，然后進行閘、閥布置，以便能夠消除閘閥出口處的多余水頭；穩(wěn)壓池的主要作用是穩(wěn)定下一級管道進口水流流態(tài)，布置在消力池的下游，而且要滿足管口有一定淹沒水深的要求。消能設施和閘閥也可以采用先進的流量調(diào)節(jié)閥進行設置。

管道區(qū)間的劃分要根據(jù)實際管線布置、管道承壓能力、地形地質(zhì)特點、消能設施投資以及運行管理的方便可靠等因素進行設置。因此應綜合考慮各方面因素進行技術(shù)經(jīng)濟比較后河里確定。沙灣縣第三水源地工程全段有壓輸水方式按照上述方法將管線分為四段。

2.4 長閘閥關(guān)閉時間

在長距離輸水管道上常常因為突然關(guān)閉閥門而致使管中流速急劇下降，導致承壓能力突然降低、升高或者是周期性往返等，產(chǎn)生較大的水錘壓力。水錘壓力的計算要采用特殊的征線法結(jié)合計算機實施計算。單位時間內(nèi)動量變化越大，水流產(chǎn)生的沖擊波就越大，導致管中流速的變化，而管中流速的改變與閘閥關(guān)閉時間的長短有著密切的聯(lián)系。此工程設計流量Q=1.24m3/s，其中某一段管長L=12 km，凈水頭H=58.50m，管徑為1m這樣就嗯呢更計算出時間t和水錘壓力H的結(jié)果，從而能夠得知水錘壓力與閘閥關(guān)閉時間之間的關(guān)系，如圖1是閘閥關(guān)閉時間t～水錘壓力H關(guān)系曲線。

圖1 閥關(guān)閉時間t～水錘壓力H關(guān)系曲線圖

從圖中可以看出當時間t>10min時，閥門關(guān)閉時間越長，水錘壓力減少梯度越小，所以可以將閥門關(guān)閉時間控制在10min，管道設計最大工作壓力按照1.20倍的凈水頭設計。從去曲線圖中可以確定管道設計工作壓力和閘閥關(guān)閉時間，以便計算出保證管道安全的管道壓力。所以說，適當?shù)难娱L管道末端的閥門關(guān)閉時間能夠起到較好的減小管道壓力的作用。

3 輸水管道的設計

此供水工程采用截潛流方式取水，取水首部以上無調(diào)蓄工程，管道供水流量隨著季節(jié)的變化而發(fā)生變化。輸水管道的管線長、落差大、地形起伏，運行工況復雜等，這些都不利于輸水管道的安全運行。從經(jīng)濟技術(shù)方面考慮，在這里設計采用分段輸水方案，一百年以最小的造價，最大的降低管道的工作壓力，保證輸水線路的安全運行；輸水管線分為三段，每段的地形落差不超過50m，根據(jù)地形特點，選擇合適的輸水方式，這里供選擇的輸水方式主要有兩種，第一是全段有壓力輸水方式，另一種是無壓重力輸水+有壓重力輸水方式。

3.1 全段有壓力輸水方式

這種減壓方案是一種有壓重力輸水方式，首先管道首部集水井至第三水廠沿線地形起伏，管線順著地形合理布置，在輸水管線鋪設過程中要考慮地形起伏處的正常運行水頭，另外，還要考慮方便運行期管理和施工需求，管道的管材盡量使用標準化管件，初擬管徑采用DN800的玻璃鋼管。本工程地形落差約220m，線路總長18.68 km，為了是管道輸水安全進行，減壓時要結(jié)合地形特點和水頭損失特點實施逐級減壓。減壓方式選擇減壓閥+消能井的方式，根據(jù)減壓閥的減壓比和管材耐內(nèi)壓能力設置4級減壓，每級減壓的控制高差控制在50m左右。

3.2 無壓重力輸水+部分有壓重力輸水方式

此工程地形復雜、落差大，所以輸水管道在設計的過程中可以利用該落差采用無壓重力輸水方式進行管道設計，根據(jù)此工程的實際地形情況，管線總體采用無壓重力輸水方式，其中無壓重力輸水為：0-010.86～11+650段，管線全長11.66 km，管徑采用DN1200和DN1000的預應力鋼筋混凝土管；11+650～18+670.40段地勢較平緩，采用有壓重力輸水方式，總長7.02 km，管徑采用DN800，剛度為10000N/m2的玻璃鋼管，壓力：0.60MPa和1.00MPa，這樣的設計要求能夠最大限度的滿足累積水頭的需要。

通過對以上兩種方案的分析與研究，全段有壓力輸水方案投資運行成本相比較高，管道壓力比較大，即使通過減壓閥降低壓力，但是水錘問題較嚴重，供水安全性有待提高；而無壓重力輸水+部分有壓重力輸水方案具有投資成本低、管理方便、技術(shù)成熟、便于維修、運行供水安全性高等優(yōu)點，所以本次工程優(yōu)化方案就選擇無壓重力輸水+部分有壓重力輸水方案，以便最大限度的提高工程效益。

4 結(jié)語

長距離輸水管道的壓力問題是工程設計的關(guān)鍵問題，文章研究采取的將長管線合理分段、適當延長管道末端閘、閥的關(guān)閉時間及通過選擇最優(yōu)的輸水方式是降低管道壓力、減少工程投資、保證輸水工程安全運行的行之有效的措施。此工程采用無壓重力輸水+部分有壓重力輸水方案是合理可行的，此方式能夠在管道安全運行的基礎(chǔ)上以最小的造價取得最大的工程效益。

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