淺析長(zhǎng)距離大流量重力流輸水管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高小濤 李紅帥 朱君妍

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450000；2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展， 人民生活水平的提高和城鎮(zhèn)化建設(shè)進(jìn)程的加快，長(zhǎng)距離輸水工程日益增多，工程的規(guī)模也越來(lái)越大，由此帶來(lái)的技術(shù)問(wèn)題也愈發(fā)復(fù)雜。 因此，應(yīng)嚴(yán)把施工、設(shè)備及閥門質(zhì)量，同時(shí)輸水線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)是重中之重。

圖1 某分水口門供水管線總平面示意圖

南水北調(diào)中線配套工程某分水口門年均分配水量23990 萬(wàn)m3。 輸水主管線起點(diǎn)為分水口門后進(jìn)水池出口，輸水主管道長(zhǎng)度為80.2km，管徑為3.0m～2.6m。 支線總長(zhǎng)30.95km，管徑為1.0m～2.4m。主管道設(shè)計(jì)流量為13.0m3/s，分水口門設(shè)計(jì)水位為96.05m，加大水位為96.45m，最低控制水位為95.52m。

2 管材選擇

隨著工程技術(shù)、新型材料的發(fā)展，我國(guó)引進(jìn)了大量的新型管材和新的生產(chǎn)工藝， 為供水工程管材的選擇提供了更多的余地。 目前給水管材有多種， 但大都在鋼管（SP）、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）、玻璃鋼管（GRP）、鋼塑復(fù)合管等中選擇。 各種管材都存在優(yōu)缺點(diǎn)，其對(duì)比詳見(jiàn)表1。

從安全方面考慮，鋼管、球墨鑄鐵管，PCCP 管比較安全，特別是在工作壓力高，管徑大，管線起伏較多的工程中。對(duì)于DN1000mm 以上的管徑，優(yōu)先選用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP），球墨鑄鐵管（DIP）價(jià)格較高，鋼管要特別注意防腐處理以延長(zhǎng)使用壽命[1]。

表1 不同管材不同性能對(duì)比表（以工作壓力1.0MPa 為例）

本工程供水壓力小于1.0MPa， 管線周邊工程地質(zhì)條件較好。 結(jié)合附近潛在管材供貨廠家情況，并考慮到大口徑PCCP 管具有耐久性好、抗震能力強(qiáng)、耐腐蝕性能好、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，而且大口徑管道價(jià)格相對(duì)便宜，主管線推薦采用PCCP 管材，管徑為DN3000mm 和DN2600mm，支管線管徑為DN1400mm、DN1600、DN2400mm， 管材均為PCCP 管材。 管線在穿河、過(guò)路等特殊地段采用鋼管。

3 管道附屬設(shè)備設(shè)計(jì)

輸水線路為一條主干線和五個(gè)分支管線組成的復(fù)雜供水系統(tǒng)，根據(jù)供水安全的需要，輸水線路沿線設(shè)置控制閥、檢修閥，進(jìn)排氣閥、放水閥、流量計(jì)、調(diào)流調(diào)壓閥、壓力變送器、壓力表等附屬設(shè)備。 對(duì)整個(gè)供水系統(tǒng)的流量、壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制， 有效預(yù)防和消除水錘對(duì)系統(tǒng)造成的危害，保證供水系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.1 控制閥

輸水管道沿線控制閥的設(shè)置主要考慮沿線多分枝供水時(shí)，某一支線檢修不對(duì)其他支管線產(chǎn)生影響，因此在主管線上分支口處及支線的起端設(shè)置控制閥。 控制閥井內(nèi)設(shè)電動(dòng)閥門、壓力表和壓力變送器，閥件儀表信號(hào)輸送至就近管理房?jī)?nèi)的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。 控制閥采用電動(dòng)蝶閥，閥前閥后分別設(shè)置壓力表、壓力變送器、直徑DN3000的蝶閥，采用DN800 半球閥作為控制閥的旁通閥。

3.2 進(jìn)排氣閥

輸水管道在啟動(dòng)、檢修和正常運(yùn)行過(guò)程中，均需要補(bǔ)氣或排氣。 在輸水線路沿線上坡段、下坡段、長(zhǎng)水平段和凸頂點(diǎn)、坡度變陡點(diǎn)等起伏變化部分置進(jìn)排氣閥。 閥門間距按約0.8～1.0km 設(shè)置一個(gè)， 可以滿足管道進(jìn)排氣需求，同時(shí)根據(jù)過(guò)渡過(guò)程模擬計(jì)算， 在特殊位置適當(dāng)加密進(jìn)排氣閥可以有效預(yù)防水錘。 根據(jù)水錘計(jì)算成果，管道沿線設(shè)置含檢修人孔的進(jìn)排氣三通，并配置檢修閥和雙排氣閥。直徑3m 的管道，其單個(gè)進(jìn)排氣閥均為DN300，直徑2.6m的管道，其單個(gè)進(jìn)排氣閥均為DN250。

3.3 檢修閥

輸水主管道長(zhǎng)度約80.2km， 屬于長(zhǎng)距離輸水管道工程。 根據(jù)規(guī)范要求一般每5～10km 設(shè)置1 處檢修井，在穿越大型河道、鐵路、公路處也應(yīng)考慮設(shè)置檢修閥，在安裝水力控制閥，如減壓閥、流量計(jì)等閥件的地方也應(yīng)布置檢修閥。 考慮到管道運(yùn)行、安裝、更換的方便，每個(gè)檢修閥處配套設(shè)置可拆式松套傳力接頭。

3.4 放空閥

放空閥的作用是在檢修時(shí)，放空部分管段內(nèi)的水，放空閥一般設(shè)置在線路的最低點(diǎn)。 放空閥設(shè)計(jì)主要考慮放空時(shí)間t 及避開(kāi)管道沿線的農(nóng)田和建筑物。考慮到放空時(shí)水量較大，根據(jù)管道的實(shí)際布置，在有河流、溝渠的地方設(shè)置放空閥， 檢修時(shí)， 管道中的水就近放至河流或溝渠中。 經(jīng)綜合考慮，直徑3m 的管道，放空閥為DN600，直徑2.6m 的管道，放空閥為DN500，可以滿足管道檢修及放空的要求。

3.5 流量計(jì)

流量計(jì)設(shè)置在輸水總管進(jìn)口處及各支管線的末端，以計(jì)量管道的輸送水量和水廠接收的水量， 為動(dòng)態(tài)控制提供流量數(shù)據(jù)。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外流量計(jì)生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)際， 經(jīng)比較管道直徑大于1.6m 選用超聲波流量計(jì)，小口徑管道選用電磁流量計(jì)。 超聲波流量計(jì)選用五聲道及以上， 測(cè)量精度等級(jí)取0.5 級(jí)，不僅可以顯示瞬間流量和累計(jì)流量，還可以在流量發(fā)生超常變化時(shí)發(fā)出報(bào)警。 流量計(jì)與自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)監(jiān)控各測(cè)量點(diǎn)的流量及變化。 在流量計(jì)前的檢修井內(nèi)設(shè)置1 臺(tái)壓力變送器，以便監(jiān)測(cè)管道壓力，流量計(jì)設(shè)置旁通閥，可以保證在檢修或更換流量計(jì)時(shí)，輸水管道正常運(yùn)行。

3.6 調(diào)節(jié)閥

為避免管道產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)， 維持管道出口處恒定流量，保證出口處的壓力水頭，需要在管道末端設(shè)置調(diào)節(jié)閥。 為了在調(diào)節(jié)閥檢修維護(hù)時(shí)不斷流，需在該位置設(shè)旁通管。 在調(diào)節(jié)前設(shè)流量計(jì)，通過(guò)流量信號(hào)對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。 在調(diào)節(jié)閥后和流量計(jì)前設(shè)旁通管。

經(jīng)過(guò)水力過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算， 并結(jié)合調(diào)流調(diào)壓閥的生產(chǎn)制造能力， 對(duì)于主管徑DN2600 的輸水管道末端，并聯(lián)設(shè)置調(diào)節(jié)閥2 個(gè)， 閥徑均為DN1600， 壓力等級(jí)PN1.0MPa。支管線管徑DN2400，并聯(lián)設(shè)置調(diào)節(jié)閥2 個(gè)，閥徑均為DN1600，壓力等級(jí)PN1.0MPa。 對(duì)于沿線分支管線均設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥。

4 管線水錘防護(hù)

本工程屬于重力流輸水工程，且屬大流量、長(zhǎng)距離供水工程，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，運(yùn)行工況復(fù)雜，在工況切換過(guò)程中整個(gè)輸水系統(tǒng)會(huì)發(fā)生水力過(guò)渡過(guò)程現(xiàn)象。 該水力過(guò)渡過(guò)程不僅持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)， 而且將引起管線壓力及供水流量發(fā)生較大幅度的變化， 嚴(yán)重威脅整個(gè)輸水系統(tǒng)的供水安全。 因此，對(duì)其水力過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算，并采用合理措施進(jìn)行事故防范是保證本工程安全供水的關(guān)鍵。

4.1 分析計(jì)算

采用Bentley.Hammer 水錘分析計(jì)算軟件進(jìn)行建模，將沿線輸水管道特征參數(shù)輸入模型。 經(jīng)過(guò)多次模擬分析，最終確保管道在正常運(yùn)行工況、關(guān)閥、開(kāi)閥、爆管工況下，管道沿線無(wú)負(fù)壓， 管道的最大水錘壓力在管道正常壓力值范圍內(nèi)。

4.2 水錘安全防護(hù)

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析， 在主管線樁號(hào)K32+900 附近設(shè)置一座雙向調(diào)壓塔， 斷面直徑為15.0m， 其頂部高程為101.0m；在樁號(hào)K32+900 附近設(shè)置一座單向調(diào)壓塔，斷面直徑為10.0m，其頂部高程為66.50m；在樁號(hào)K68+520 附近設(shè)置一座單向調(diào)壓塔， 斷面直徑為10.00m， 頂高程為59.81m。

4.2.1 各支線水廠端閥門單獨(dú)關(guān)閉時(shí)的防護(hù)要求

在各個(gè)支線水廠正常運(yùn)行工況下， 當(dāng)支線需要停水時(shí)， 規(guī)劃水廠01、02、03、04 支線末端水廠閥門可以較快關(guān)閉。 其中規(guī)劃水廠01 閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)大于50s，規(guī)劃水廠03 閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)大于42s，規(guī)劃水廠04 閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)大于50s，規(guī)劃水廠02 閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)大于40s。 規(guī)劃水廠05 單獨(dú)關(guān)閉閥門時(shí)，水廠閥門的關(guān)閉時(shí)間應(yīng)大于420s。

4.2.2 各支線水廠端閥門同時(shí)關(guān)閥

對(duì)于同時(shí)關(guān)閥工況，為滿足各管段的壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃水廠01、02、03、04、05 閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)分別不小于75s、162s、210s、233s、1940s。

4.2.3 各支線水廠端閥門依次開(kāi)閥

當(dāng)分水口門進(jìn)水池為最低水位時(shí)， 為確保各管段不出現(xiàn)負(fù)壓，按先后順序，規(guī)劃水廠05、04、03、02、01 末端閥 門 開(kāi) 閥 時(shí) 間 應(yīng) 分 別 不 小 于3080s、620s、900s、710s、850s。

在輸水線路上設(shè)置3 座調(diào)壓塔后， 各支線末端設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥，按計(jì)算給定的開(kāi)、關(guān)閥規(guī)律和時(shí)間運(yùn)行，可有效防護(hù)管道正常運(yùn)行爆管工況下產(chǎn)生的水錘。

5 結(jié)論與建議

多分枝長(zhǎng)距離供水的關(guān)鍵是流量分配和管網(wǎng)的水錘預(yù)防。 在滿足供水對(duì)象對(duì)流量的需求的前提下，進(jìn)行過(guò)渡過(guò)程模擬，通過(guò)沿線流量調(diào)節(jié)、自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離安全輸水是本供水設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

5.1 工程設(shè)計(jì)應(yīng)能保證供水安全。尤其對(duì)長(zhǎng)距離、多分枝管道的水錘計(jì)算防護(hù)是重點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算成果，沿線應(yīng)設(shè)置排氣、檢修、調(diào)流調(diào)壓、調(diào)壓塔等安全措施，保證安全供水。

5.2 工程設(shè)計(jì)應(yīng)能滿足經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的要求。管徑應(yīng)能滿足過(guò)流量需求， 管材應(yīng)能適合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，交叉管線或穿越建筑物的施工應(yīng)考慮方案的可行性。

5.3 工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮后期運(yùn)行維護(hù)的方便。 管道建成后運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)發(fā)生爆管、泄漏情況，或遭到破壞，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮檢修道路是非常有必要的。

［1］馬俊青，鞠厚磊.南水北調(diào)配套工程輸水管道設(shè)計(jì)中問(wèn)題的探討［J］.河南水利與南水北調(diào)，2011（7）:34-36.