神東礦區(qū)輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與水錘防護(hù)研究

摘 要：神東礦區(qū)輸水工程設(shè)計(jì)最高日取水量3.65萬(wàn)m3/d，輸水管線總長(zhǎng)48 070 m，輸水方式采用重力流和兩級(jí)加壓長(zhǎng)距離輸水方式。本工程對(duì)輸水系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的水力計(jì)算，確定了水泵揚(yáng)程及管材管徑。利用分析軟件，對(duì)系統(tǒng)的水錘進(jìn)行了分析，并提出了“多功能水泵控制+壓力波動(dòng)預(yù)止閥+防水錘空氣閥”的可靠水錘防護(hù)措施。同時(shí)，在系統(tǒng)重要節(jié)點(diǎn)處設(shè)置電動(dòng)活塞式調(diào)流閥，聯(lián)合水泵變頻器對(duì)輸水系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量進(jìn)行平衡和調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離輸水；重力流；壓力流；水錘防護(hù)；流量調(diào)節(jié)

中圖分類號(hào)：TU991.3

通信作者：王向舉（1978-），男，高級(jí)工程師，主要從事水處理工作，E-mail：85625266@qq.com。

目前，神東煤炭大柳塔區(qū)域及大柳塔中心鎮(zhèn)區(qū)的主要飲用水源為煤礦井下涌水及烏蘭木倫河滲渠，受礦井水自身特性以及煤礦井下作業(yè)的影響，礦井水中氟化物、硫酸鹽含量高，乳化液和石油類物質(zhì)污染問(wèn)題嚴(yán)重。烏蘭木倫河上游多處設(shè)橡膠壩蓄水，區(qū)域內(nèi)滲渠水量小且水質(zhì)差。礦區(qū)內(nèi)居民及職工飲用水安全問(wèn)題突出，健康風(fēng)險(xiǎn)很大。因此，必須調(diào)入新水源，以解決神東煤炭集團(tuán)大柳塔區(qū)域職工和大柳塔中心鎮(zhèn)區(qū)的居民飲用水問(wèn)題。

神東中心礦區(qū)供水工程引入府谷天橋巖溶地下水，在府谷至神木紅柳林DN1200供水主管道窟野河倒虹管出口處開口取水，設(shè)計(jì)最高日取水量3.65萬(wàn)m3/d，設(shè)計(jì)水平年2030年。取水口設(shè)取水閥室1座，利用DN1200主管分水口處壓力水頭，來(lái)水首先經(jīng)有壓重力流輸送至燕家塔一級(jí)加壓泵站，經(jīng)加壓后輸送至雙溝岔二級(jí)加壓泵站，然后經(jīng)二級(jí)加壓后輸送至活雞兔蓄水池及大柳塔蓄水池，最終接入現(xiàn)有供水管網(wǎng)。本工程為新引入水源，現(xiàn)狀水源可作為應(yīng)急備用水源，因此采用單管輸水。輸水管線總長(zhǎng)48 070 m，主體管材為K9級(jí)球墨鑄鐵管。設(shè)置取水閥室1座，加壓泵站2座，10 000 m3蓄水池2座，沿途設(shè)3處分水口。

1 輸水工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)水量

工程設(shè)計(jì)最高日取水量3.65萬(wàn)m3/d，其中神東煤炭集團(tuán)大柳塔區(qū)域設(shè)計(jì)供水量為1.31萬(wàn)m3/d、大柳塔中心鎮(zhèn)區(qū)設(shè)計(jì)供水量為1.65萬(wàn)m3/d、1#預(yù)留分水口供水量為0.34萬(wàn)m3/d、2#預(yù)留分水口供水量為0.19萬(wàn)m3/d、孫家岔預(yù)留分水口供水量為0.16萬(wàn)m3/d、神東煤炭上灣、補(bǔ)連塔區(qū)域臨時(shí)供水量1.03萬(wàn)m3/d。

活雞兔支線除了供給神東煤炭大柳塔區(qū)域內(nèi)的職工生活用水外，近期還需為神東煤炭上灣、補(bǔ)連塔區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)供水，總供水量2.34萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期神東煤炭大柳塔區(qū)域總供水量為1.31萬(wàn)m3/d。大柳塔支線為大柳塔中心鎮(zhèn)區(qū)居民生活供水，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)水量1.65萬(wàn)m3/d，近期不足部分水量由現(xiàn)狀大柳塔鎮(zhèn)凈水廠補(bǔ)充。

1.2 系統(tǒng)布局

輸水管線自府谷至神木紅柳林DN1200供水主管道窟野河倒虹管出口處起，整體沿烏蘭木倫河右岸河堤內(nèi)或階地敷設(shè)，局部沿左岸敷設(shè)，期間穿河3次。輸水管線總長(zhǎng)48 070 m，輸水方式為重力流、壓力流混合式。輸水管道主體分為兩部分：

（1）取水口至一級(jí)泵站段管道總長(zhǎng)16" 500" m，DN1200主管分水口處設(shè)計(jì)壓力0.64 MPa，設(shè)計(jì)自由水頭為1 028 m（主管道運(yùn)營(yíng)單位提供的最不利參數(shù)），一級(jí)泵站吸水井最高液位為1 011.40 m（最低液位1 008.85 m），最小可利用水頭16.6 m，該段采用重力流輸水。

（2）一級(jí)泵站至終點(diǎn)處大柳塔蓄水池管道總長(zhǎng)30 345 m，大柳塔蓄水池最高液位1 189.25 m，與一級(jí)泵站吸水井最低液位凈高差為180.43 m，考慮到輸水系統(tǒng)安全及管材承壓等因素，該段采用兩級(jí)加壓輸水，控制管道工作壓力不大于1.6 MPa。輸水系統(tǒng)流量分配及控制節(jié)點(diǎn)參數(shù)如圖1所示。

1.3 輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

輸水管道水力計(jì)算參照《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）[1]，沿程水頭損失按海曾-威廉公式計(jì)算（球墨鑄鐵管Ch=120，普通鋼管Ch=100）。長(zhǎng)輸管道較為平直段局部水頭損失按沿程水頭損失的10%確定，走向復(fù)雜的短支線段局部水頭損失按規(guī)范公式詳細(xì)計(jì)算。水力計(jì)算采用分段方式進(jìn)行，具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

（1）取水口至一級(jí)泵站（K0+000～K16+500）：分水口處最小壓力0.64 MPa，設(shè)計(jì)自由水頭為1 028 m，一級(jí)泵站吸水井最高液位為1 011.40 m，最小可利用水頭差Δh=1 028-1 011.4=16.6 m。該段管道總長(zhǎng)度16 500 m，總水頭損失為13.73 m＜16.60 m，故原水可重力流進(jìn)入一級(jí)泵站。

（2）一級(jí)泵站至二級(jí)泵站（K16+500～K38+500）：總長(zhǎng)度為22 000 m，總水頭損失hz=41.80 m。

（3）二級(jí)泵站至活雞兔、大柳塔蓄水池分水點(diǎn)（K38+500～K43+185）：總長(zhǎng)度為4 685 m，總水頭損失hz=7.12 m。

（4）大柳塔蓄水池支線（K43+185～KD46+845）：管道長(zhǎng)度3 660 m，總水頭損失hz=9.70 m。

（5）活雞兔蓄水池支線（K43+185～KH44+410）：管道長(zhǎng)度1 225 m，總水頭損失hz=5.74 m。

1.4 加壓泵揚(yáng)程確定

（1）一級(jí)加壓泵站：揚(yáng)程H1=H0+hz=（1 094.75-1 008.85）+41.80=127.70 m。選擇3臺(tái)單級(jí)雙吸臥式離心泵，2用1備。單泵參數(shù)Q=765 m3/h，H=140 m，N=500 kW，配套10 kV全變頻高壓電機(jī)，自灌式安裝。

（2）二級(jí)加壓泵站：揚(yáng)程H2=H0+hz=（1 189.25-1 092.20）+7.12+9.70=113.87 m。選擇3臺(tái)單級(jí)雙吸臥式離心泵，2用1備。單泵參數(shù)Q=630 m3/h，H=125 m，N=400 kW，配套10 kV全變頻高壓電機(jī)，自灌式安裝。

1.5 管材選擇

針對(duì)本工程可選的管材有球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管、鋼管等，這些管材各有優(yōu)缺點(diǎn)。從管材本身性能分析，球墨鑄鐵管具有耐久性強(qiáng)、承擔(dān)壓力高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備鋼管優(yōu)點(diǎn)，避免了鋼管易腐蝕的缺點(diǎn)。綜合考慮工期、運(yùn)行安全及投資合理等因素，主體管道采用K9級(jí)球墨鑄鐵管，最大承壓能力4.0 MPa。輸水系統(tǒng)工作壓力為0.65～1.4 MPa，設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa。K9級(jí)球墨鑄鐵管可滿足全線管道壓力要求。在局部地形復(fù)雜段和穿越段轉(zhuǎn)換為鋼管，如穿越公路處，采用外套混凝土套管頂管施工。坡度較大、彎頭較多處采用鋼管，以方便施工。

球墨鑄鐵管采用管內(nèi)水泥砂漿內(nèi)襯和管外噴鋅+瀝青終飾層防腐形式。鋼管采用TPEP涂塑復(fù)合鋼管，內(nèi)防腐為熱熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，外防腐為三層聚乙烯防腐涂層（3PE結(jié)構(gòu)）。

2 輸水系統(tǒng)安全防護(hù)

2.1 水錘分析及防護(hù)

在壓力管道系統(tǒng)中，因水泵的啟停、開閥關(guān)閥速度過(guò)快，都會(huì)引發(fā)水錘。特別是突然停泵引起的水錘，導(dǎo)致水泵反轉(zhuǎn)，使泵前及管道局部壓力驟增，破壞管道、水泵及閥門。同時(shí)會(huì)在管道高點(diǎn)處形成斷流彌合水錘，對(duì)管道造成嚴(yán)重破壞。本工程采用PIPE 2000軟件對(duì)供水系統(tǒng)的水錘進(jìn)行分析計(jì)算，水錘防護(hù)參照《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265—2010）[2]相關(guān)要求：（1）離心泵最高反轉(zhuǎn)速度不應(yīng)超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的持續(xù)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2 min；（2）立式機(jī)組在低于額定轉(zhuǎn)速40%的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2 min；（3）最高壓力不應(yīng)超過(guò)水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；（4）管道任何部位不應(yīng)出現(xiàn)水柱斷裂。

2.1.1 重力流段（K0+000～K16+500）

取水口K0+000至一級(jí)泵站K16+500段管道管徑為DN900/800，設(shè)計(jì)流速v=0.66～0.84 m/s，末端剩余水頭2.87 m，管道設(shè)計(jì)壓力1.6 MPa。根據(jù)圖2可知，在恒定流狀態(tài)下該段管道工作壓力為0.64 MPa。該段管道流速較低，壓力小，參考以往工程案例，可在沿途高點(diǎn)及平直段每隔500～1 000 m設(shè)置普通DN100口徑復(fù)合式自動(dòng)進(jìn)排氣閥。在實(shí)際運(yùn)行中，控制末端DN800的電動(dòng)活塞式調(diào)流閥（一級(jí)泵站吸水井進(jìn)水管安裝）關(guān)閉時(shí)間≥400 s即可，無(wú)須特殊水錘防護(hù)。

2.1.2 壓力流段（K16+500～K46+845）

壓力流段采用兩級(jí)加壓，一級(jí)泵站K16+500至二級(jí)泵站K38+500管道總長(zhǎng)22 000 m，一級(jí)泵站水泵揚(yáng)程為140 m，該段壓力管道距離最長(zhǎng)，水泵揚(yáng)程最高，作為典型“高揚(yáng)程長(zhǎng)距離輸水段”進(jìn)行水錘分析與防護(hù)研究。二級(jí)泵站K38+500至大柳塔高位水池K46+845段采取相同的防護(hù)措施，以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定。

（1）一級(jí)泵站（K16+500）至二級(jí)泵站（K38+500）瞬變流無(wú)保護(hù)工況。一級(jí)泵站水泵出口為普通快關(guān)式止回閥，管道沿線安裝普通排氣閥。一級(jí)泵站水泵揚(yáng)程140 m，恒定流狀態(tài)下系統(tǒng)最大設(shè)計(jì)工作壓力為1.4 MPa。

當(dāng)水泵突然全停時(shí)，止回閥速閉，系統(tǒng)高低壓力包絡(luò)線如圖3所示，泵站出水管處壓力波動(dòng)過(guò)程曲線如圖4所示。由此可知，泵后止回閥處壓力波動(dòng)震蕩劇烈，最大升壓達(dá)到2.5 MPa，系統(tǒng)部分管道壓力超過(guò)最大設(shè)計(jì)工作壓力的1.3～1.5倍，停泵水錘嚴(yán)重危害系統(tǒng)安全，需采取可靠的水錘防護(hù)措施。

（2）瞬變流有保護(hù)工況。結(jié)合本工程具體情況，一級(jí)泵站及該段壓力管道采取“多功能水泵控制+壓力波動(dòng)預(yù)止閥+防水錘空氣閥”防水錘措施。在泵站每臺(tái)水泵出水管設(shè)多功能水泵控制閥，出水DN700總管處設(shè)置2臺(tái)DN200壓力波動(dòng)預(yù)止閥，開啟壓力設(shè)定為1.6 MPa，管道沿線按《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013—2018）要求布置DN100的防水錘型空氣閥。經(jīng)采取水錘防護(hù)措施后，系統(tǒng)高低壓力包絡(luò)線如圖5所示，泵站出水管處壓力波動(dòng)過(guò)程曲線如圖6所示。

由圖5和圖6可知，在采取“多功能傳承控制+壓力波動(dòng)預(yù)止閥+防水錘空氣閥”防水錘措施后，系統(tǒng)突然停泵時(shí)最高壓力包絡(luò)線顯著下降，輸水管道全線壓力小于1.6 Mpa。同時(shí)，水泵出水口處壓力波動(dòng)減緩，在停泵100 s時(shí)，水泵出水口的壓力達(dá)到最高峰值，接近1.6 MPa，后續(xù)峰值壓力逐漸下降。以上數(shù)據(jù)結(jié)果表明，本工程采用的防水錘措施滿足水錘防護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)及要求，輸水系統(tǒng)防水錘效果明顯。

2.2 管道穿河防護(hù)和連接處防護(hù)

本工程全線管道3次橫穿烏蘭木倫河，根據(jù)防洪評(píng)價(jià)要求，管道需埋設(shè)在沖刷線1.0 m以下的泥巖、砂巖層中。考慮到管道檢修的可能性，保留球墨鑄鐵管承插接口的性能，巖槽內(nèi)管道不采用傳統(tǒng)混凝土包封的做法。巖石開槽后，槽底自下而上鋪設(shè)100 mm厚級(jí)配碎石和100 mm粗砂墊層，管頂500 mm以下采用中粗砂回填，然后滿鋪500 mm厚漿砌片石保護(hù)層封蓋，與基巖層無(wú)縫銜接?；鶐r層以上原土回填至現(xiàn)狀河床標(biāo)高。

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 193—2005）[3]，在輸水管道彎管、三通、異徑管、分支管、閥門等處應(yīng)設(shè)支墩，管道的承插口、自由端、伸縮節(jié)等處亦應(yīng)考慮設(shè)置支墩，防止位移脫節(jié)。本工程中球墨鑄鐵管為非整體連接管道，在角度≥11.25的彎頭、三通處設(shè)置支墩，防止連接處在作用力下發(fā)生位移脫節(jié)。在檢修閥及流量控制閥順?biāo)鞣较蚯岸嗽O(shè)置拖拉墩，以抵消閥門前后壓差產(chǎn)生的推力，保護(hù)閥井和閥體。

3 電動(dòng)活塞式調(diào)流閥的應(yīng)用

本工程采用重力流及兩級(jí)加壓輸水系統(tǒng)，取水口、一級(jí)泵站、二級(jí)泵站及2座蓄水池之間的流量需要進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，使各節(jié)點(diǎn)上、下游之間的流量和水力條件相互匹配并達(dá)到平衡，因此，本工程在泵站進(jìn)水總管、蓄水池進(jìn)水總管前端均設(shè)置電動(dòng)活塞式調(diào)流閥，配合水泵變頻器可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)與分配。

在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)水泵在特定頻率運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)活塞式調(diào)流閥對(duì)小范圍的流量調(diào)節(jié)具有很好的效果，緩速啟閉也不會(huì)造成系統(tǒng)關(guān)閥水錘。在夜間單泵運(yùn)行條件下，電動(dòng)活塞式調(diào)流閥聯(lián)合變頻器調(diào)節(jié)流量，即可避免因系統(tǒng)流量過(guò)大而引起的水泵電機(jī)超載事故，也可使水泵保持在高效區(qū)間運(yùn)行，節(jié)約電耗。

大柳塔蓄水池（最高液位1 189.25 m，進(jìn)水管流量近期71.76 L/s，遠(yuǎn)期190.97 L/s）、活雞兔蓄水池（最高液位1 180.15 m，進(jìn)水管流量近期270.83 L/s，遠(yuǎn)期151.62L/s）在不同設(shè)計(jì)工況下流量相差較大，且高度不同，普通的電動(dòng)閥門流量調(diào)節(jié)性能差，難以通過(guò)調(diào)節(jié)開度實(shí)現(xiàn)流量的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。電動(dòng)活塞式調(diào)流閥具有優(yōu)良的線性調(diào)節(jié)性能，通過(guò)遠(yuǎn)程在線調(diào)節(jié)電動(dòng)活塞式調(diào)流閥的開度來(lái)控制流量大小，很好地解決了在單泵多池系統(tǒng)中，不同高度的末端水池進(jìn)水管流量的分配問(wèn)題，同時(shí)也提高了整個(gè)輸水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

4 結(jié)論

（1）水力計(jì)算是輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上才能合理地確定管徑、水泵揚(yáng)程等重要設(shè)計(jì)參數(shù)。水泵選型時(shí)，建議在同一電機(jī)功率情況下，泵的流量、揚(yáng)程有一定的富余量，可應(yīng)對(duì)后期管道運(yùn)行中管壁結(jié)垢，阻力增大問(wèn)題。

（2）本工程在每臺(tái)水泵出水管處安裝多功能水泵控制閥，出水總管安裝壓力波動(dòng)預(yù)止閥，輸水管沿線高點(diǎn)安裝防水錘型空氣閥對(duì)停泵水錘的預(yù)防作用明顯，管道系統(tǒng)和泵站出口的最高壓力均不超過(guò)1.6 MPa，在水泵、管道及閥門設(shè)計(jì)承壓等級(jí)范圍之內(nèi)。

（3）電動(dòng)活塞式調(diào)流閥在系統(tǒng)流量的平衡和分配調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用，通過(guò)遠(yuǎn)程在線調(diào)節(jié)電動(dòng)活塞式調(diào)流閥的開度來(lái)控制流量大小，很好地解決了在單泵多池系統(tǒng)中，不同高度的末端水池進(jìn)水管流量的分配問(wèn)題。

本工程已于2021年5月全線建成通水，調(diào)試時(shí)停泵水錘升壓與軟件模擬基本吻合，水錘防護(hù)措施安全可靠，各節(jié)點(diǎn)流量分配平衡，在線可調(diào)。目前，供水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，可為同類型工程設(shè)計(jì)與研究提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]" 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司. 室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50013—2018[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2019.

[2]" 湖北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院. 泵站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50265—2010[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

[3]" 中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)安大學(xué). 城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程：CECS 193—2005[S]. 北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2005.