水電移民山區(qū)長距離供水工程管線設計

王永才，朱如龍，朱耿軍，舒高華

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國長江三峽集團有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

相對于城市市政供水，水電移民安置點生活供水工程多處在山區(qū)，地形起伏較大，地形地質條件較惡劣，供水規(guī)模普遍較小，且多采用重力輸水方式。以往的設計中，很多設計人員仍采用市政水泵供水的設計思路，導致供水管道管徑偏大，出現(xiàn)半管流、虹吸負壓等不利工況?；谏鲜霈F(xiàn)狀與問題，本文以云南省瀾滄江苗尾水電站苗尾遷建集鎮(zhèn)供水工程為例，淺談山區(qū)長距離供水工程管線設計的要點，為山區(qū)長距離重力輸水工程設計提供一定的參考。

1 設計思路及基本原理

1.1 設計思路

(1)長距離重力輸水管線，從安全角度出發(fā)，應采用恒定流的供水方式，即從取水點到用水點供水周期穩(wěn)定，流量盡可能保持不變。

(2)分段泄壓，將管道靜水壓力控制在安全范圍內。

1.2 基本原理

圖1為重力輸水管道分區(qū)原理，從水源地G1輸水至水池G4，若輸水管道不分段，且全線采用相同的管徑，則水力坡度為i=ΔZ/L，這時部分管道承受的壓力很高，可是G3點管道中仍出現(xiàn)負壓，顯然是不合理的。如將輸水管道分成3段，并在G2、G3處建造水池，則G2點附近管道的工作壓力有所下降，G3點也不會出現(xiàn)負壓，大部分管道的靜水壓力顯著減小。

圖1 重力輸水管分區(qū)原理

輸水管分段并在適當?shù)奈恢媒ㄔ焖睾?，不僅可以降低輸水管的工作壓力，并且可以降低輸水管的靜水壓力，因此是經(jīng)濟合理的，水池應盡量布置在地形較高的地方，以免出現(xiàn)虹吸管段[1]。

設計時，輸水量Q、位置水頭H及輸水距離L均為已知參數(shù)，可據(jù)此確定輸水管管徑的大小。假定供水管道為單管輸水，G1～G2管段位置水頭為h1，管道流量為設計流量Q，管道長度為L1，G1～G2管道可采用兩種不同管徑d1，d2的管道串聯(lián)，則根據(jù)《水力學》(第四版)串聯(lián)管道的水力計算公式，該管段的水頭損失為

式中，H1為管道水頭損失；Q為管道設計流量；l1、l2為兩種不同管徑對應的長度；K1，K2為兩種不同管徑對應的流量模數(shù)

2 工程設計

2.1 管道布置

苗尾遷建集鎮(zhèn)供水工程管道沿線地形落差較大、地形起伏段多，設計采用分段輸水的方案，即在管道沿線適當?shù)牡胤皆O置泄壓池，將管道分成若干段，管道采用PN1.6 MPa的焊接鋼管，每段管道的地形落差不超過160 m，從而降低管道的工作壓力，保證管道安全運行。

從圖2中可以看出，若輸水管線不分段，則很長一段管道將處于負壓狀態(tài)，且最低點管道靜水壓力將達到約800 m，顯然不合理，因此，設計中根據(jù)地形條件設置泄壓池將整條管道分成8段，每段管道位置水頭控制在160 m以內，并將泄壓池布置在高處，保證各管段不會出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象，并在局部凸起處布置排氣閥，低洼處布置排泥閥，工程共布置泄壓池7座，排氣閥井13座，排泥閥井15座。

圖2 供水管道縱斷面示意

2.2 管道水力計算

在城鎮(zhèn)市政管網(wǎng)設計中，水力計算涉及到管網(wǎng)平差、水頭損失計算等，管網(wǎng)平差的目的是要確定管網(wǎng)中各管段的管徑，水頭損失計算則是要確定水泵的揚程，并對各種不利的工況進行校核。而重力供水工程中不涉及到水泵，即“揚程”已經(jīng)確定，因此水力計算的目的是要根據(jù)已知的“揚程”和流量來確定各段管道的管徑，并復核各管段的承壓情況。

本工程設計流量Q=11.57 L/s，每個管段均按照采用不同管徑的管道串聯(lián)進行計算，兩種管徑分別為d1、d2，兩種管徑對應的長度分別l1、l2(l1+l2=L，l2可等于0)，兩種管徑對應的流量模數(shù)為K1、K2。

第一段管道從取水點至1號泄壓池，管道長度L=5 896 m，位置水頭H=25 m，從計算表1中可以看出，若全部采用DN150管道，則管段過流能力為10.74L/s小于設計流量；若全部采用DN200管道，則管段過流能力為23.14 L/s，遠大于設計流量；若采用DN150與DN200兩種管徑串聯(lián)，其中DN200的管道長度為2 000 m，其余為DN150管道，則管段過流能力為12.54 L/s，流量略大于設計流量，可滿足設計要求，因此，可以確定第一段管道采用2 000 m DN200管道與3 896 m DN150管道串聯(lián)。依次類推確定其他管段的設計管徑，計算結果見表1(僅列出前三段管道計算結果)。

表1 輸水管道管徑試算

2.3 泄壓池設計

泄壓池設置的目的是為了為防止管道運行時承壓過大，將管道分段泄壓，保證輸水管線的運行安全。設計時應使泄壓池上游來水量與下游供水量基本保持平衡，根據(jù)CECS 193:2005《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術規(guī)程》規(guī)定，當輸水管道高差較大或距離很長需要分段時，可設調節(jié)水池(泄壓池)，其容積應根據(jù)工藝要求通過工況分析和水力計算確定。當輸水規(guī)模不大或要求不高時，重力輸水管道中間水池(泄壓池)容積可按不小于5 min的最大設計水量確定。

苗尾遷建集鎮(zhèn)供水工程泄壓池采用鋼筋混凝土結構，共設泄壓池7座，泄壓池尺寸為：1.8 m(長)×1.6 m(寬)×2.3 m(高)。根據(jù)地形條件將泄壓池布置在地形相對較高點，保證各管道可重力供水且沿途管道不會出現(xiàn)負壓。

2.4 水錘防護措施

在壓力管道中因流速劇烈變化引起動量轉換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象[2]。由于水錘的產(chǎn)生，使得管道中壓力急劇增大至超過正常壓力的幾倍甚至十幾倍，如不采取有效的防護措施，宜造成水管爆裂，引發(fā)事故。重力輸水系統(tǒng)設計主要對末端關閥水錘進行防護，具體措施有：

(1)在管道凸起及適當位置設置空氣閥，空氣閥是一種用于防止水錘過程中產(chǎn)生負壓的特殊閥門。當管道內壓力低于大氣壓時吸入空氣，而當管道中壓力高于大氣壓時排出空氣[3]。工程實際中，采用空氣閥進行水錘防護，可有效減小發(fā)生水錘事故概率。

(2)管道末端采用緩閉蝶閥，管線需要停水檢修時，緩慢關閉末端檢修閥門，采用250 s內兩階段關閉，前100 s相對快速均勻關閉80%，后150 s內緩慢關閉另外20%[4]。

(3)重視充水啟動過程，管道初次充水啟動應控制水流速度不超過0.3 m/s，密切關注沿線空氣閥的工作狀態(tài)，保證其排氣暢通。

3 結 語

供水工程重力輸水系統(tǒng)具有運行費用低，維護管理方便，在水源與用水點地形落差較大的地區(qū)有著較為廣泛的應用，工程設計中應注重管道布置，盡量減少管道起伏，并合理布置泄壓、排氣等設施，保證輸水系統(tǒng)運行安全。另外，針對水電移民安置點生活供水工程，應加強對輸水系統(tǒng)管理人員的培訓，正確掌握重力輸水系統(tǒng)運行維護管理方法，防止誤操作導致發(fā)生水錘事故等。