永泰川灌溉引水工程輸水管線設(shè)計要點

張興平

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

大口徑、長距離、高水頭輸水項目是一個比較龐大的系統(tǒng)工程，必須在項目開始的設(shè)計階段對整體線路進行合理、精細(xì)的設(shè)計，以滿足項目實施安全運行，其中涉及管材選取、水力計算、水錘分析、閥門布置等內(nèi)容。本文以永泰川灌溉引水工程為例，淺談大口徑長距離高水頭管道設(shè)計應(yīng)注意的幾個事項。

1 工程概況

永泰川灌溉引水工程位于甘肅省景泰縣寺灘鄉(xiāng)境內(nèi)，工程主要任務(wù)是從引大東二干渠末端取水，通過新建輸水骨干工程，向景泰縣寺灘鄉(xiāng)永泰川規(guī)劃發(fā)展的13.84 萬畝土地提供灌溉用水，工程年供水量3000 萬m3。工程分為上段—新建干渠段、中段—英武水庫輸水渠利用段，下段—新建干管段，見圖1。其中新建干管段是大口徑、長距離、高水頭輸水項目，是本文進行重點闡述的內(nèi)容。

圖1 工程總平面布置圖

新建干管段起點位于英武水庫輸水渠21#隧洞出口，新建輸水干管線路經(jīng)過低中山丘陵區(qū)、山間盆地及溝谷區(qū)和山前洪積傾斜平原區(qū)，地面高程2117 m～1832 m～2030 m～1975 m，最大起伏287 m，總體線路呈“V”字形倒虹吸型式。管道埋地敷設(shè)，管線總長38.7 km，設(shè)計輸水流量為2.8 m3/s，管徑DN1400 mm～1200 mm，管材采用涂塑復(fù)合鋼管和球墨鑄鐵管，輸水方式為壓重力流輸水[1]。

2 管道設(shè)計

2.1 管材選擇

2.1.1 管材技術(shù)經(jīng)濟比選

輸水管道管材的選擇對控制工程投資和工程后期的運行、管理至關(guān)重要，管材選用時除考慮工程造價外，還需考慮承壓能力、施工難度等因素。本工程管材選擇使用金屬管，即球墨鑄鐵管和鋼管，具體根據(jù)沿線壓力等級選擇，2.0 MPa 以下公稱壓力等級范圍內(nèi)采用球墨鑄鐵管，2.0 MPa～4.0 MPa 公稱壓力等級范圍間采用涂塑復(fù)合鋼管。

2.1.2 高壓區(qū)鋼管型號優(yōu)化

制造輸水用鋼管的鋼板型號一般選用Q235C（普通碳素鋼），這種型號的鋼材強度高，韌性好，易加工。但本工程設(shè)計內(nèi)水壓力最高達4.0 MPa，高壓力區(qū)管材設(shè)計選用鋼管，鋼板型號選擇為低合金Q345C，其強度更高，可明顯減少鋼管壁厚，節(jié)省投資。

2.1.3 鋼管防腐蝕設(shè)計

鋼管在大口徑高水頭長距離輸水工程中使用最廣泛，但易生銹腐蝕是其主要缺點，為延長其使用壽命，內(nèi)外壁需做除銹和防腐處理。我國管道防腐材料隨時間發(fā)展出現(xiàn)了石油瀝青、煤焦油瓷漆、環(huán)氧瀝青，再發(fā)展到目前的聚乙烯包覆涂層。

我國輸水工程中有些管道仍然還大量采用環(huán)氧煤瀝青，甚至瀝青防腐，對防腐的重視不夠，對新防腐材料的認(rèn)知也還不足。輸水管道外防腐質(zhì)量影響著管道運行可靠和壽命，三層PE和單層環(huán)氧樹脂（FBE）防腐是大管徑輸水管道防腐的最佳選擇[2]。本工程鋼管外防腐選擇三層PE，內(nèi)防腐選用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層。

2.2 閥門設(shè)計

為了保證工程輸水管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行，滿足輸水管線的控流、分流、斷流、測流及檢修要求，需在輸水管線上設(shè)置調(diào)節(jié)閥、檢修閥、放空閥、空氣閥和水力監(jiān)測設(shè)備等水力機械設(shè)備，設(shè)備選擇應(yīng)按結(jié)構(gòu)簡單，運行檢修維護方便，安全可靠，經(jīng)濟合理的原則。

（1）本工程輸水干管總體線路呈“V”型倒虹吸布置，事故工況下壓力波動引起的水錘會直接體現(xiàn)在“V”型管段的最低點，在谷底設(shè)置直接作用式水錘泄放閥以釋放事故工況時的高壓水錘。主干平壓池前調(diào)節(jié)閥在開關(guān)閥過程中的壓力波動較大，故在此處增設(shè)直接作用式水錘泄放閥[3]。

（2）在輸水干管次高點平壓池前和各分水口分水管末端設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥。為避開閥門氣蝕區(qū)域，提高輸水安全控制，調(diào)流調(diào)壓閥的設(shè)置采用并聯(lián)方式，主閥旁設(shè)置小口徑調(diào)流調(diào)壓閥一臺，兼做事故備用。正常工況運行時大閥單獨工作，小閥停用；充水、主閥事故停用時開啟小閥，或主閥操作不當(dāng)造成閥前管道壓力超過設(shè)定安全壓力時，小閥可自動打開起到安全泄壓作用。

（3）在每段管道進水口位置設(shè)置一個檢修閥，用于整條輸水管線的進水控制和設(shè)備檢修，此閥側(cè)設(shè)置一個旁通閥，在管道初次充水或檢修后管道補水時打開此閥對管道充水。

（4）輸水管道中設(shè)置分段檢修閥，需要對某段管道進行檢修時，把此段管道用檢修閥隔斷，減少水量浪費，并保證其他部分管道依然充滿水，利于檢修后快速投入運行。本次設(shè)計隔斷閥門間距為5 km 左右。

（5）在輸水管道檢修閥間的低洼處設(shè)置有放空閥。

（6）為保證管道內(nèi)的進排氣，以維持管線壓力在安全運行范圍內(nèi)，管線中布置了復(fù)合式空氣閥。

2.3 平壓池

為控制管線次高點（樁號33+390 m，高程2030 m）之后的管道壓力，防止超設(shè)計范圍的壓力出現(xiàn)，在樁號33+390 處設(shè)置平壓池1 座（設(shè)計總?cè)莘e2400 m3，有效容積1500 m3）。在平壓池內(nèi)設(shè)置放空管，當(dāng)后段的輸水管道發(fā)生事故時，平壓池還可做為事故泄水通道，使事故的影響范圍限制在平壓池段范圍，保證輸水安全。

2.4 水力計算

管道的水頭損失計算包括沿程水頭損失和局部水頭損失。

（1）沿程水頭損失

達西- 魏斯巴哈公式按下式計算：

式中：hf為沿程水頭損失，m；L 為計算管段的長度，m；d 為管道的內(nèi)徑，m；v 為管道過水?dāng)嗝嫫骄魉?；?為沿程水頭損失系數(shù)。

海曾威廉按下列公式進行計算：

式中：hj為沿程水頭損失，m；L 為計算管段的長度，m；i 為單位管長沿程水頭損失，m；C 為海曾威廉系數(shù)；Q 為管段流量，m3/s；d 為管段內(nèi)徑，m。

達西公式和海曾- 威廉公式均可用于沿程水頭損失的計算，對兩公式的計算結(jié)果進行對比分析。

表2 水頭損失計算比較表

由表1 可知，兩公式計算結(jié)果基本相同，其中海曾- 威廉公式計算的水頭損失略大于謝才公式計算值；另外考慮到海曾- 威廉公式更適用于光滑的滿管流計算，而謝才公式更適用于明渠或明管流的工況，本次設(shè)計計算采用海曾威廉公式計算水頭損失的計算。

（2）局部水頭損失

根據(jù)經(jīng)驗，室外給水管網(wǎng)中的局部水頭損失一般不超過沿程水頭損失的10%～15%，因與沿程水頭損失相比很小，因此在管網(wǎng)水力計算中，可按此比例計入總水頭損失，工程區(qū)線路較平順，本次計算取10%。

（3）計算管徑取用注意事項

長距離輸水管道由于輸送距離長，沿程水頭損失的誤差的累計將可能導(dǎo)致水頭壓力不足，出現(xiàn)嚴(yán)重后果[4]。因此減小沿程水力計算的誤差是優(yōu)化設(shè)計的重要內(nèi)容，為保證水力計算的誤差能控制在合理范圍內(nèi)，長距離輸水管道設(shè)計時，計算應(yīng)注意以下兩個問題。

①管道公稱直徑與實際直徑的差別

應(yīng)避免采用公稱直徑進行計算，設(shè)計確定管徑后，按管道實際直徑選用。

②內(nèi)防腐層的材料和厚度

管道內(nèi)防腐采用水泥砂漿內(nèi)襯應(yīng)考慮內(nèi)襯層厚度的影響；采用熔結(jié)環(huán)氧粉末等高分子材料，由于涂層厚度一般小于1 mm，可忽略不計，但管內(nèi)壁涂裝后的粗糙系數(shù)則應(yīng)根據(jù)廠家數(shù)據(jù)、試驗以及類似工程的經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析采用。

2.5 水錘分析

本工程新建輸水管線壓力高，輸水流量變幅大，特別是部分管段由于地形原因管線布置起伏較大，系統(tǒng)輸水流量的合理分配和輸水過程中的安全控制是本次計算任務(wù)的重點。

本工程屬于長距離高水頭重力有壓輸水線路，由于地形變化，造成管線高低起伏，用水過程中發(fā)生用戶開關(guān)閥、流量調(diào)節(jié)、充水和放空等工況時，會引起管道振蕩，如果關(guān)閉時間不合適，就容易引起水錘危害。

樁號0+000～33+435 段為“V”型倒虹吸布置，“V”形管線谷低樁號19+732，最大落差289 m，對管線的安全運行和水錘防護要求高，斷流空腔容易出現(xiàn)在管道谷低這個位置。水錘的發(fā)生，很可能發(fā)生爆管事故，對工程的安全運行以及社會影響將造成難以估量的損失。水錘危害很大，輸水管線設(shè)計中必須考慮水錘保護措施，重點是斷流彌合水錘保護。

輸水系統(tǒng)干管設(shè)計流量為2.8 m3/s，經(jīng)過水力過渡過程仿真計算，平壓池前調(diào)節(jié)閥門和1 號調(diào)蓄水庫前調(diào)節(jié)閥門歷時400 s 關(guān)閥，其他支管同時歷時400 s 關(guān)閥，最大壓力出現(xiàn)在19+732 處，為3100.9 kPa，最小壓力出現(xiàn)在1 分水口處，為31.3 kPa。平壓池容積由866 m3升至1049 m3，小于有效容積1500 m3。

圖2 關(guān)閥最大壓力與承壓線圖

由圖2 可知，最大壓力未超過靜止壓強的1.2 倍，并小于承壓線。平壓池容積也未發(fā)生拉空或溢流現(xiàn)象，故歷時400 s關(guān)閥安全。

3 結(jié)論及建議

本次大口徑長距離高水頭輸水工程中，主要從以下四個方面優(yōu)化完善設(shè)計，保障工程安全運行。

（1）管道高壓力區(qū)（公稱壓力2.0 MPa～4.0 MPa）采用鋼管，鋼材型號選用Q345C。鋼管外防腐選擇三層PE，內(nèi)防腐選用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層。

（2）在輸水干管“V”型谷底設(shè)置直接作用式水錘泄放閥以釋放事故工況時的高壓水錘。

（3）在新建干管管線次高點（樁號33+390 m，高程2030 m）設(shè)置一座平壓池，用以降低平壓池之后的管道壓力，防止超設(shè)計范圍的壓力出現(xiàn)，同時作為管道發(fā)生事故時的泄水通道之用。

（4）經(jīng)過水力過渡過程仿真計算，平壓池前調(diào)節(jié)閥門和1號調(diào)蓄水庫前調(diào)節(jié)閥門歷時400 s 關(guān)閥，工程運行安全。