淺析忻州市長距離有壓重力輸水設(shè)計(jì)有關(guān)問題

張志平

(忻州市水利勘測設(shè)計(jì)院， 山西 忻州　034000)

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淺析忻州市長距離有壓重力輸水設(shè)計(jì)有關(guān)問題

張志平

(忻州市水利勘測設(shè)計(jì)院， 山西 忻州034000)

本文以忻州市岢嵐縣新建北川灌區(qū)工程輸水管線設(shè)計(jì)為實(shí)例，初步總結(jié)忻州市境內(nèi)利用地形高差，采用有壓重力輸水工程的情況，分析了輸水管道設(shè)計(jì)中管線布置、管材選取、管徑的確定方法，以及應(yīng)采取的安全工程措施，可為今后忻州市類似工程提供借鑒。

有壓重力輸水； 工程設(shè)計(jì)； 忻州市

1　概　況

忻州市地處山西省北中部，西隔黃河與陜西、內(nèi)蒙古相望，東臨太行與河北相鄰，北接長城連接大同、朔州，南跨石嶺直通省會太原，現(xiàn)轄1區(qū)1市12縣，境內(nèi)山地較多，全市面積為2.55萬km2，其中平原0.27萬km2，約占10.5%，丘陵0.92萬km2，約占36%，山地1.36萬km2，約占53.5%。境內(nèi)有黃河、汾河、滹沱河、桑干河等河流通過，全市范圍屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,春季多風(fēng),夏季多雨,秋季氣爽, 春冬季少雨雪，年內(nèi)降水分配不均，主要集中在7、8、9三個月。多數(shù)縣、區(qū)十年九旱，仍未擺脫靠天吃飯的局面，給廣大城鄉(xiāng)居民生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利的影響，嚴(yán)重制約我市社會經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展。

針對目前灌區(qū)嚴(yán)重缺水而水源地有限，水資源得不到充分利用的現(xiàn)狀，在加快灌區(qū)節(jié)水改造，提高灌溉水利用率的同時(shí)，根據(jù)忻州地區(qū)用水點(diǎn)與水源地分布的地形特點(diǎn)，利用地形高差，采用有壓重力輸水方式，興建輸水管道調(diào)水不失為技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的解決方案，這樣可從根本上改變水資源時(shí)空分配不均的現(xiàn)狀。開源節(jié)流并舉，緩解水資源供求矛盾，保障當(dāng)?shù)厝罕娚睢⑸a(chǎn)用水，發(fā)展當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)。

2　工程設(shè)計(jì)

岢嵐縣位于忻州地區(qū)西南部，地處晉西北高寒干旱山區(qū)，是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)縣，境內(nèi)嵐漪河流域北川河支流下游的北川盆地是全縣的主要糧油生產(chǎn)基地，有平川耕地3.7萬畝，人口2.16萬，分別占全縣平川耕地和總?cè)丝诘?6.1%和25.7%，區(qū)內(nèi)降水稀少，旱災(zāi)頻繁，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值低而不穩(wěn)。而北川河上游有長年不斷的基流，流量可達(dá)0.34m3/s，由于受地質(zhì)構(gòu)造影響，水流在水門——新民段全部滲入地下，下游無法利用。因此，引水到北川，是改變水資源時(shí)空分配不均現(xiàn)狀，緩解供水矛盾，保障當(dāng)?shù)厝罕娚?、生產(chǎn)用水，促進(jìn)岢嵐縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的民生工程。

岢嵐縣新建北川灌區(qū)工程輸水管線由岔上引水工程通過壓力鋼管將上游清泉水經(jīng)水門、新民、團(tuán)城子、神堂坪引至北川。輸水管線全長14.676km，輸水管道工程為集大落差、長距離、復(fù)雜地形于一體的重力流管道輸水工程，起點(diǎn)管底高程為1798.50m，終點(diǎn)地面高程為1457.01m，總地形高差為341.49m，最大引水流量為0.34m3/s，分別采用Dg426、Dg478兩種規(guī)格有壓螺旋焊縫鋼管輸水。灌區(qū)建成后，可使北川盆地3.234萬畝農(nóng)田得到適時(shí)灌溉，同時(shí)解決9個村6000多人的飲水問題。目前已有萬畝良田引用該工程灌溉水做膜下滴灌，糧食、蔬菜產(chǎn)量增長明顯。

2.1管道布置

選定合理的管線，是輸水管道設(shè)計(jì)中首要的工作。輸水管線定線時(shí)，應(yīng)盡量縮短管線的長度，減少拆遷，少占良田，少毀植被，保護(hù)環(huán)境，保證供水安全； 應(yīng)選擇最佳的地形和地質(zhì)條件，盡量沿現(xiàn)有道路敷設(shè)，以便于施工和檢修；管線盡量減少與鐵路、公路和河流交叉；避開易滑坡和河流淹沒等沖刷地區(qū)，以降低造價(jià)和便于施工、維護(hù)及管理。

2.2管材的確定

在輸水管道工程中，管道投資占總投資的比重很大，因此對管材的選擇應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，做出安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面分析比較。不同管材對工程的適應(yīng)特性，能否充分發(fā)揮管道的最大優(yōu)點(diǎn)，確保工程投資少，管道運(yùn)行安全可靠，管理方便，運(yùn)行成本低，施工便捷，需綜合考慮后確定。岢嵐縣新建北川灌區(qū)工程輸水管線所經(jīng)之處，山川并列，梁峁綿延，溝壑縱橫，支離破碎，地質(zhì)條件差，且距離長，故管材選用了工程安全性強(qiáng)，管道綜合造價(jià)適中，性能比較好的螺旋焊縫鋼管，并對其進(jìn)行防腐處理，外防腐采用環(huán)氧煤瀝青，內(nèi)防腐采用IPN8710漆。內(nèi)壁經(jīng)過防腐處理，不僅耐腐蝕性大幅提高，而且管內(nèi)水力特性大為改善。

2.3管徑的確定

確定合理的管徑，是輸水管道設(shè)計(jì)中一項(xiàng)十分重要的工作。對同一種重力輸水的管材，水頭損失隨管徑增大而減小，可利用水頭高，但管道投資亦隨之增大;相反管徑減小，水頭損失增大，可利用水頭就小，管道投資亦之隨減小。

如何確定合理的管徑，可采用管道設(shè)計(jì)流速來控制。重力輸水應(yīng)充分利用地形高差，使通過設(shè)計(jì)流量所采用的管徑最小，經(jīng)濟(jì)效益最佳。一般壓力輸水管道的設(shè)計(jì)流速不宜大于3m/s且不宜小于0.6m/s，在滿足輸水要求下，應(yīng)盡量選擇小管徑。

2.4有壓重力輸水管線設(shè)計(jì)中應(yīng)研究的安全工程措施

2.4.1避免地形因素的不利影響

有壓重力輸水受地形因素影響較大，管線布置應(yīng)避免高差變化過大，導(dǎo)致管道承壓過高，工程造價(jià)增加，影響運(yùn)行安全；同時(shí)亦應(yīng)避免管線敷設(shè)在水力坡降以上，造成管線產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致出現(xiàn)管道吸癟的現(xiàn)象。

2.4.1.1避免靜水壓力過大，管道承壓過高

長距離、地形復(fù)雜、高差起伏較大，重力流輸水其靜水壓力過大，應(yīng)考慮根據(jù)地形采取多級減壓，合理把管線劃分成幾個壓力區(qū)段，降低管道承壓，控制每段管道的最高工作壓力，從而保證管道運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)的合理性。

2.4.1.2避免管線敷設(shè)在水力坡降以上，產(chǎn)生負(fù)壓

通過測壓管水頭計(jì)算找出預(yù)選管線中在設(shè)計(jì)流量過流時(shí)，產(chǎn)生負(fù)壓的管段，采取相應(yīng)的工程技術(shù)措施消除負(fù)壓影響。在該工程設(shè)計(jì)中采取了以下幾種比較可行、有效的工程技術(shù)措施。

a.降低該段管道高程：重新選擇管道線路或管道深埋，降低該段管道安裝高程，使其測壓管水頭為正值。

b.調(diào)整管道直徑：通過增大該段管道直徑，減少沿程水頭損失值。

c.管道分段：在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)修建調(diào)節(jié)池，將管道分段，使前段管道的設(shè)計(jì)引流量大于后段管道的設(shè)計(jì)引流量。

d.設(shè)置排氣閥：使管道在產(chǎn)生水錘時(shí)空氣可自動進(jìn)入，從而避免產(chǎn)生負(fù)壓。

另外，長距離引水管道需翻越許多大小山脊，在山脊處必須設(shè)置排氣閥，若山脊處排氣設(shè)施被忽略，將直接危及引水管道的正常運(yùn)行。原因是山脊段管道內(nèi)的空氣無法排出而產(chǎn)生氣阻，減小管道實(shí)際過水?dāng)嗝婷娣e，破壞其管道內(nèi)水流的連續(xù)性，降低輸水能力，嚴(yán)重時(shí)甚至不能引水。合理確定管道排氣閥，可防止因管道的汽蝕和振動而影響管道輸水安全。

2.4.2降低水錘破壞

水錘破壞是造成輸水管道工程事故的主要原因之一。水錘現(xiàn)象是在壓力管道中因流速劇烈變化，而產(chǎn)生一系列的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象。通過機(jī)械波的形式傳遞，水錘的大小和水錘波的波速成正比。水錘常因閥門的關(guān)閉、意外積氣、誤操作等原因產(chǎn)生。

因此，對于長距離管道輸水，水錘危害往往由多種因素引起，難以控制，需綜合考慮采取多重安全保護(hù)措施，確保整個輸水管線長期、安全運(yùn)行。

2.4.2.1安裝排氣閥

斷流彌合水錘對長距離管道輸水的危害極大，在工程設(shè)計(jì)中，通常應(yīng)根據(jù)輸水管線的實(shí)際情況布設(shè)一定數(shù)量的排氣閥，即在駝峰處及水平段每隔500～1000m處布設(shè)，避免水柱彌合水錘產(chǎn)生破壞，保證輸水管道安全。

2.4.2.2設(shè)置減壓池

通過設(shè)置減壓池對距離長、地形落差大的有壓重力管道輸水系統(tǒng)進(jìn)行壓力分級，可有效控制每段管道的最高工作壓力和管道的長度，降低水錘破壞。

減壓池對于改善長距離、高落差的有壓重力輸水管線工作環(huán)境非常必要，既滿足了管道正常水壓的需求，降低靜水、動水壓力，降低水錘發(fā)生的概率，保證管路正常運(yùn)行，又減少了工程造價(jià)。

2.4.2.3設(shè)置自動泄壓閥

在管道上設(shè)置泄壓閥，可在發(fā)生水錘段管道壓力超過設(shè)定值時(shí)，超壓泄壓閥自動打開進(jìn)行泄壓，有效地卸掉超壓部分壓力，從而避免局部突發(fā)超壓造成水錘爆管事故。泄壓后，降低閥后管道的運(yùn)行工作壓力，保證管道在發(fā)生水錘時(shí)，減緩水在管道系統(tǒng)中流速的變化，降低機(jī)械波的傳遞速度，這樣管道因?yàn)槭鹿识a(chǎn)生的壓力變化就會減弱，水錘影響就會得到控制。

針對有壓重力輸水管線設(shè)計(jì)過程中需注意的幾點(diǎn)問題，岢嵐新建北川灌區(qū)引水管線工程，從安全角度出發(fā)，采取了多重安全保護(hù)措施，以確保輸水管線的正常運(yùn)行。

為了確保輸水管線的正常運(yùn)行，在輸水管線樁號8+805山頂鞍部處建一座5萬m3水池，沿線設(shè)4座千方水池，對處于高壓的管道進(jìn)行分級減壓，降低管道承受的壓力，控制每段管道的最高工作壓力，改善了管道的運(yùn)行環(huán)境，確保了管道的安全，同時(shí)又起到了調(diào)蓄作用，避免因上游管道檢修和源頭水量變化給生產(chǎn)、生活帶來不便，保證穩(wěn)定的供水。

另外，為了便于5萬m3水池在運(yùn)行過程中清淤，在水池旁布設(shè)旁通管，保證水池清淤檢修時(shí)，不影響正常輸水，并在水池上游節(jié)制閥前配DN200、壓力1.6MPa自動泄壓閥，泄壓調(diào)壓壓力為1.2MPa，有效地降低閥后管道的運(yùn)行工作壓力，保證管道在發(fā)生水錘時(shí)安全運(yùn)行。

該引水管線工程途經(jīng)許多大小山脊，在壓力管道的凸起點(diǎn)上，共設(shè)置12個自動進(jìn)排氣閥，排除管內(nèi)集聚的空氣，并在管道需要檢修、放空時(shí)吸入空氣，保持排水通暢。

通過以上多重工程措施的保護(hù)，使整條管線的運(yùn)行安全得以保證。輸水管道經(jīng)過兩年的運(yùn)行，沒有出現(xiàn)事故，運(yùn)行正常。

3　結(jié)　語

在岢嵐縣新建北川灌區(qū)工程中，輸水管道投資占整個工程總投資的絕大部分比重，管材、管徑及工作壓力的選取必須從工程規(guī)模、重要性、地形地質(zhì)等方面綜合考慮，進(jìn)行技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)對比分析確定，許多技術(shù)及安全措施還有待更深入地研究和提高，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)更趨完善，以期為今后忻州市及其他地區(qū)類似有壓重力輸水工程方案的選擇提供工程依據(jù)。

CECS 193：2005城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2006.

Analysis on related issues of long-distance pressure gravity water conveyance design in Xinzhou

ZHANG Zhiping

(XinzhouWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Xinzhou034000,China)

In the paper, the design of Beichuan Irrigation Area Project water conservancy pipeline newly constructed in Xinzhou Kelan County is adopted as an example. Pressure gravity water conveyance project condition by applying terrain elevation difference in Xinzhou is preliminarily summarized. The pipeline layout, pipe material selection and the determination methods of pipe diameter in water conveyance pipeline design, as well as the safety project measures that should be adopted are analyzed, thereby providing reference for similar projects in Xinzhou in the future.

pressure gravity water conveyance; engineering design; Xinzhou

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.010

TV672+.2

A

1005-4774(2016)01-0031-03