水利水電工程中長(zhǎng)距離輸水管道減壓路徑分析

折發(fā)顯

（甘肅省水利水電工程局有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730000）

我國(guó)水資源分布不均，北方地區(qū)水資源相對(duì)匱乏，制約了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展。長(zhǎng)距離調(diào)水工程可有效緩解水資源短缺問(wèn)題。管道輸水的方式相對(duì)靈活，可根據(jù)地勢(shì)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)地質(zhì)環(huán)境要求較低，施工方便，成本低，滲漏情況發(fā)生較少且能保證輸水質(zhì)量，在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用。在長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)中，管道壓力是影響工程安全及工程造價(jià)的重要因素之一。當(dāng)輸水工程主要利用地形落差重力流進(jìn)行輸水時(shí)，管道在輸水過(guò)程中若突然關(guān)閥，則容易引發(fā)水錘現(xiàn)象，管道承受壓力不能承受水錘壓力時(shí)，管道就會(huì)損壞，影響輸水工作。管道破壞后必須進(jìn)行管道修復(fù)，提升管道抗壓能力，增加了工程投入。因此，對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管道必須采取相應(yīng)措施減少管道在輸水工作中的壓力。

長(zhǎng)距離輸水工程的主要作用是合理分配水資源，調(diào)節(jié)并緩解部分地區(qū)水資源短缺問(wèn)題，在我國(guó)水資源分配工作中得到充分重視和應(yīng)用。長(zhǎng)距離輸水管道主要利用地勢(shì)及重力形成高度差完成輸水工作，水壓是工程中的主要問(wèn)題，管道閥門(mén)與管道內(nèi)壓力息息相關(guān)，靜水壓與管道之間的距離存在聯(lián)系，水壓與地勢(shì)高度差之間相關(guān)，且呈正比關(guān)系[1]。管道在受到壓力的影響下會(huì)發(fā)生損壞，當(dāng)關(guān)閉閥門(mén)出現(xiàn)異常時(shí)，管道內(nèi)壓力升高，管道因承受不住壓力而破裂，導(dǎo)致輸水工作的正常運(yùn)行。若長(zhǎng)距離管道中地勢(shì)起伏較大，那么其管道路徑變化較大，容易出現(xiàn)水流不通暢問(wèn)題，甚至可能出現(xiàn)斷流現(xiàn)象。

2.1 設(shè)置減壓池

在長(zhǎng)距離輸水管道中可設(shè)置減壓池進(jìn)行減壓，這種方式主要利用輸水工程起點(diǎn)和終點(diǎn)的落差達(dá)到減壓的目的，在管道不同高度位置修筑減壓池，方便向下一段管道供水，但在設(shè)置減壓池的過(guò)程中需要注意每個(gè)減壓池可控制一個(gè)小區(qū)的供水[2]。減壓池在一定程度上可以有效緩解管道壓力，因此成為長(zhǎng)距離管道減壓的常見(jiàn)減壓方式之一。

2.2 減壓閥

減壓閥的工作原理與減壓池的工作原理有所不同，設(shè)置減壓閥時(shí)要了解并分析供水區(qū)域內(nèi)對(duì)輸水壓力的要求、管道承受力及壓力等，將輸水管道以分段的形式進(jìn)行埋設(shè)，其分段主要依據(jù)輸水工程中地形的高度差來(lái)區(qū)分。減壓閥需要設(shè)置在管道中的不同部位，注意減壓閥應(yīng)設(shè)置在合理的壓力范圍之內(nèi)，設(shè)置的壓力能夠承受管道水壓，避免因管道破裂而影響輸水工作[3]。如某輸水工程的減壓方式就是減壓閥及減壓池兩種方式，按照地勢(shì)的總落差與地形的高低設(shè)置減壓池及減壓閥，在輸水管道減壓方面十分有效。

2.3 分段減壓消能

長(zhǎng)距離輸水管道的特點(diǎn)是地形落差較大，水流量豐富及運(yùn)輸距離長(zhǎng)，長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸有必要進(jìn)行分段管理，在管道材料選擇中應(yīng)選擇耐用、使用時(shí)間長(zhǎng)且價(jià)格合理的材料作為輸水管道。某長(zhǎng)距離輸水管道在建設(shè)過(guò)程中，由于多種因素的影響，使工程難以實(shí)施，為克服這一困難，必須使用分段減壓消能，通過(guò)這種方式達(dá)到管道減壓的目的。分段減壓效能使將長(zhǎng)距離的管道分成不連續(xù)且距離較短的管道，在這些短距離管道中，每個(gè)管道的管尾設(shè)置效能設(shè)施及閘閥，以達(dá)到分壓效果，減少水錘壓力，解決管道壓力問(wèn)題。

分段減壓設(shè)置不僅能夠解決管道壓力問(wèn)題，還可解決工程實(shí)施過(guò)程中材料方面的困難，同時(shí)在一定程度上能夠避免浪費(fèi)，降低工程造價(jià)的預(yù)算。分段減壓設(shè)施可分為3 種類型，即消能設(shè)施、閘閥控制流量的大小和穩(wěn)壓池，其設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體工程規(guī)模，一般采用消力池。閘閥布置方便，但閘閥出口過(guò)大，穩(wěn)壓池的主要作用是穩(wěn)定下一層管路入口流態(tài)，一般布置在消力池下游，同時(shí)要求管道出口必須淹沒(méi)在水里來(lái)達(dá)到減壓目的。能量消減裝置和閘閥也可采用調(diào)速裝置安裝。對(duì)管段的劃分應(yīng)根據(jù)實(shí)際管段布置情況、管道承壓能力、地形地質(zhì)特征、消能設(shè)施投資及操作管理方便可靠等因素確定，要綜合考慮各方面的因素確定最佳方案[4]。

2.4 減少水錘影響

某農(nóng)田水利構(gòu)成中水流量變化是造成水錘擊的主要原因，當(dāng)管路內(nèi)流速改變時(shí)，管路內(nèi)壓力也隨之改變。在管道系統(tǒng)中，水錘波起著非常重要的作用。水錘的尺寸與水錘波的波速成比例，也就是說(shuō)，水錘的波速越大，水錘越大。經(jīng)計(jì)算分析，本管道工程屬于長(zhǎng)距離低流速管道，理論計(jì)算結(jié)果是正常閉合檢修，水錘升壓不高，但若因意外積氣、錯(cuò)誤操作等原因也可產(chǎn)生較大的水錘升壓，應(yīng)采取必要的措施，防止意外的水擊升壓對(duì)管道的破壞。通過(guò)減慢管道系統(tǒng)內(nèi)水的流速，減小機(jī)械波的傳遞速度，從而控制水的沖擊效應(yīng)。重力波水錘主要體現(xiàn)在關(guān)閉管路時(shí)的水錘，即由于管路閥門(mén)關(guān)閉速度快，導(dǎo)致閥門(mén)前產(chǎn)生涌壓。為防止本工程在輸水管道中因事故關(guān)閉、錯(cuò)誤操作而造成水錘損壞，應(yīng)合理控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)關(guān)時(shí)間，以減少因流量變化而造成的水錘影響。

3.1 長(zhǎng)距離輸水管道減壓注意事項(xiàng)

3.1.1 控制閘閥關(guān)閉時(shí)間 突然關(guān)閉閘閥會(huì)使管道內(nèi)水流量迅速變化，造成壓力突然上升或下降，并周期性地來(lái)回作用于管路，最終產(chǎn)生水錘壓力，水錘壓力極容易導(dǎo)致管道破裂。水錘測(cè)量?jī)x是管路設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分，長(zhǎng)距離的離管水錘計(jì)算，可以用特征線法通過(guò)計(jì)算機(jī)的方式計(jì)算。水錘現(xiàn)象主要是由水流量變化引發(fā)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)管道內(nèi)部動(dòng)量的變化越明顯，水流產(chǎn)生的沖擊力越強(qiáng)，增加管端閘閥關(guān)閉時(shí)間可有效降低管路壓力，防止管道破裂。

3.1.2 注重設(shè)計(jì)輸水管道 長(zhǎng)距離輸水管道供水量隨季節(jié)水流量而發(fā)生變化。由于管道長(zhǎng)度長(zhǎng)、地勢(shì)落差大、地形起伏較大、運(yùn)行條件復(fù)雜等原因，給管道的安全運(yùn)行造成了一定困難?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性，在長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)中采用分段輸水方法，可最大限度地減少管道的工作壓力，保證輸水線路能夠穩(wěn)定輸水。將管道分成若干段，每段地面落差依據(jù)實(shí)際情況和地形特點(diǎn)，選擇合適的輸水方式。這里供選的輸水方式主要包含2 種，一種是全段有壓式，另一種是無(wú)壓重力與有壓重力相結(jié)合的輸水方式[5]。

全段有壓力輸水屬于一種利用有壓重力的輸水方法，管道沿地形起伏合理布置，在鋪設(shè)管道時(shí)應(yīng)考慮地形起伏點(diǎn)的正常運(yùn)行水頭。此外，還應(yīng)考慮作業(yè)期間的管理和施工要求，管道盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化管件，保證工程質(zhì)量，選擇性價(jià)比及質(zhì)量較高的材料作為管道運(yùn)輸水資源的材料。

采用無(wú)壓重力輸水配合部分有壓重力輸水的管道設(shè)計(jì)方法，主要利用落差設(shè)計(jì)管道，要求可以最大程度地滿足累積水頭。以上2 種方案經(jīng)過(guò)分析研究可知，全段有壓輸水方案工程造價(jià)較高，管路壓力較大，可使用減壓閥降低管路壓力，但管道內(nèi)部壓力問(wèn)題仍無(wú)明顯改善，供水安全需要得到重視；無(wú)壓重力輸水配合部分有壓重力輸水方案投資成本低，技術(shù)成熟，管理方便，維護(hù)方便，供水安全性較高。

3.2 農(nóng)田水利長(zhǎng)距離輸水管道減壓時(shí)的注意事項(xiàng)

3.2.1 跨越溝渠 根據(jù)一項(xiàng)農(nóng)田水利工程的實(shí)例，該工程共需跨越河溝172 條，其中5 條河溝、大溝（20 m 寬）和167 條中溝和小溝。其余為排灌渠道，需要注意的是當(dāng)?shù)剞r(nóng)田水利設(shè)施由農(nóng)田水網(wǎng)和小排灌溝組成。依據(jù)其大小，采用不同的穿越方法，以減小對(duì)溝渠的影響。根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》及《村鎮(zhèn)供水工程》的要求，在泄水閥的上部斜管兩端設(shè)置倒虹吸泄水閥。為維護(hù)方便，維修閥設(shè)在倒虹吸管的前后端，閥門(mén)井口的標(biāo)高應(yīng)高于防洪或排水水位0.5m，閥門(mén)井口無(wú)防洪要求時(shí)，也應(yīng)高于附近地面0.5 m。倒虹吸管上部和下部設(shè)有10 m 長(zhǎng)的擋墻。

彎管與水平管連接采用22.5°角的倒虹管，上下各設(shè)一個(gè)接頭處，依據(jù)管路布置的需要，應(yīng)盡可能利用地形避免穿越，減少反虹吸次數(shù)，對(duì)不能避免的深、寬溝底段應(yīng)采用反虹吸方式穿越。對(duì)底深淺、寬度窄的中小型溝槽，由于數(shù)量較多，若采用倒虹吸管穿越，則管道波動(dòng)較大，水力狀況較差。所以，采用了反虹吸的方法，在這種情況下，管道對(duì)溝渠和農(nóng)田的影響最小。在跨溝施工時(shí)，關(guān)鍵是結(jié)合本地灌渠長(zhǎng)期規(guī)劃，使之更加科學(xué)化，對(duì)現(xiàn)有供水系統(tǒng)影響最小化。

3.2.2 基坑排水 該農(nóng)田水利工程項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)淮源段河網(wǎng)密度大，綏西段塌陷區(qū)水溝池塘眾多。綏西段地下水一般為淺層地下水，施工過(guò)程中，根據(jù)具體情況，分別采取輕井點(diǎn)及管井等排水措施，造成大量溝渠基坑排水，影響地下水環(huán)境。通過(guò)對(duì)地下水位的科學(xué)合理控制，可以保證管道的施工，而且可以避免對(duì)農(nóng)田和排灌系統(tǒng)的影響。前期，根據(jù)水位深度減少、影響半徑、滲透系數(shù)等因素，結(jié)合工程地質(zhì)和各部位地形，估算各部位出水量，并結(jié)合各部位工程地質(zhì)和地形，確定各部位的水位控制高度。附近的主排水溝（河）對(duì)當(dāng)?shù)氐墓喔惹烙绊戄^小，如果排水管道距離現(xiàn)有水網(wǎng)較遠(yuǎn)，則需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況挖一條排水溝或連接排水管道到現(xiàn)有的排水系統(tǒng)。此外，為避免對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田造成較大影響，施工期應(yīng)選擇旱季和非灌水期。

遠(yuǎn)距離輸水管道壓力問(wèn)題是關(guān)系工程能否安全順利完成輸水工作的關(guān)鍵，通過(guò)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，合理地將長(zhǎng)管道進(jìn)行分段，將管道最后部位的閘閥關(guān)閉時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)，選擇最佳的輸水方式可有效減少管道壓力，還可以降低工程造價(jià)成本，確保輸水工程的安全運(yùn)行。