長(zhǎng)距離輸水管線設(shè)計(jì)與運(yùn)行技術(shù)分析

楊華

（江西省中贛投勘察設(shè)計(jì)有限公司，南昌 330029）

1 引言

我國(guó)城市供水系統(tǒng)發(fā)展迅速，進(jìn)入新時(shí)代，城市多水源和應(yīng)急備用水源建設(shè)力度加大，城市供水系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢(shì)。但與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家輸水管線工程設(shè)計(jì)相比，我國(guó)輸水管線設(shè)計(jì)還存在差距，如規(guī)劃不合理、盲目施工及缺乏長(zhǎng)效管理機(jī)制等。因此，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)距離輸水管線的設(shè)計(jì)，提高其運(yùn)行能力。

2 長(zhǎng)距離輸水管線設(shè)計(jì)

2.1 長(zhǎng)距離輸水管線供水特點(diǎn)

長(zhǎng)距離輸水管線一般指距離超過(guò)10 km 的用管（渠）道輸送原水、清水的管線，由于輸送距離長(zhǎng)、流量大，且沿線可能涉及山林河湖、公路、鐵路等復(fù)雜地形及征地問(wèn)題，工程建設(shè)難度大、周期長(zhǎng)，具體比較過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 長(zhǎng)距離輸水管線管渠形式比選表

從表1 可以看出，管道輸水較渠道輸水有明顯優(yōu)勢(shì)，水流流向速度不易受管道壓力的限制，且地勢(shì)環(huán)境的影響程度較低，適用于各種地形。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的加持下，也使管道的質(zhì)量得到進(jìn)一步加強(qiáng)，能免受冬季寒冷冰凍的影響，不受地面種植物的干擾，使管線整體走向更合理，技術(shù)性更突出[1]。

2.2 長(zhǎng)距離輸水管線的模擬計(jì)算與分析

長(zhǎng)距離輸水管線由于橫跨地域較大，整個(gè)管線較長(zhǎng)，因此，在運(yùn)行管理時(shí)難度大，常因不同原因?qū)е滤Πl(fā)生瞬變，對(duì)管線的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。因此，需要通過(guò)模擬計(jì)算提前確定輸水管線中的流量以及水頭等數(shù)值，以更直觀的方式使設(shè)計(jì)人員合理確定輸水管線的長(zhǎng)度及閥門附件的設(shè)置。針對(duì)已經(jīng)運(yùn)行的輸水管線，需充分把握其具體運(yùn)行工況，利用相關(guān)公式建立更精準(zhǔn)的管線計(jì)算模型。例如，水頭損失計(jì)算公式為：

式中，Hj為圓管的沿程水頭損失，m；λ為沿程阻力系數(shù)；L 為輸水管道的長(zhǎng)度，m；d 為輸水管道直徑，m；U 為斷面平均流速，m3/s；g 為管線承受的壓力，Pa。在局部阻力損失中，為將損失程度降至最低，需控制阻力系數(shù)。局部阻力損失具體計(jì)算公式為：

式中，Hm為局部水頭損失，m；S 為局部阻力的系數(shù)。在局部阻力損失中，具體包括兩部分：水頭損失及局部水頭損失，這兩種阻力的計(jì)算需要根據(jù)恒定流動(dòng)的原理，最終對(duì)長(zhǎng)距離輸水管線輸水量進(jìn)行具體計(jì)算。

在模擬計(jì)算過(guò)程中，為使模型建立更準(zhǔn)確，要求對(duì)不同阻力系數(shù)進(jìn)行確定，包括沿程阻力系數(shù)、局部阻力系數(shù)以及粗糙系數(shù)，具體確定數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 不同阻力系數(shù)參數(shù)表

2.3 長(zhǎng)距離輸水管線材料選擇

在長(zhǎng)距離輸水工程中，管材的選擇至關(guān)重要，其既是保證供水系統(tǒng)安全的關(guān)鍵，又在很大程度上決定了工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用。常用的輸水管道材料主要有鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管、鋼管及預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等。由于材料之間的組成不同，不同管材的主要特性存在差別，具體差別見(jiàn)表3。

表3 不同管材性能差異表

2.4 泵房設(shè)計(jì)要點(diǎn)

泵房設(shè)計(jì)也是長(zhǎng)距離輸水管線設(shè)計(jì)中的重要組成部分，在泵房設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要包括3 個(gè)方面。

2.4.1 輔助設(shè)備的選擇

由于長(zhǎng)距離輸水管線在輸送過(guò)程中受外部環(huán)境的影響，易出現(xiàn)各種問(wèn)題，通常在泵房?jī)?nèi)除設(shè)置有水泵、電動(dòng)機(jī)外，還需設(shè)置輔助設(shè)備。這些輔助設(shè)備在日常管理應(yīng)用中具有重要作用，在停電或關(guān)機(jī)情況下，如果缺乏輔助設(shè)備應(yīng)用，導(dǎo)致泵損害，故需在水泵口處設(shè)置輔助設(shè)備，防止出現(xiàn)水流回倒現(xiàn)象。常用輔助設(shè)備有鋪蓋以及板樁。鋪蓋一般設(shè)置在泵房的出水池中，主要用于延長(zhǎng)滲徑，減小滲透坡降及滲透流速等。板樁一般設(shè)置在泵房出水側(cè)，主要作用也是用于滲徑。

2.4.2 選擇泵房及水泵形式

通常在泵房選擇上共有3 種，分別為干室型、纜車型以及浮船型。目前應(yīng)用較多的是干室型。干室型對(duì)水泵的數(shù)量要求較低，室內(nèi)通風(fēng)程度較高，可為水泵運(yùn)行提供良好的環(huán)境。

2.4.3 合理設(shè)置泵房

在地基處理過(guò)程中，由于地基直接影響建筑物的使用過(guò)程，因此，為了防止出現(xiàn)地基不穩(wěn)定，出現(xiàn)裂縫及滲水，要求對(duì)泵房進(jìn)行合理設(shè)置，最好設(shè)置于巖石上，防止地基出現(xiàn)松軟[3]。

3 長(zhǎng)距離輸水管線運(yùn)行

3.1 工程概況

以某供水工程為例，該工程水產(chǎn)量1 200 m3/h，對(duì)周圍地區(qū)承擔(dān)重要供水任務(wù)。該工程輸水管線全長(zhǎng)15 km，主要以鋼管、鑄鐵管為主，管線直徑0.5～0.8 m，最大高差為17 m，由于整個(gè)工程建設(shè)于濕潤(rùn)性黃土地帶，為保證輸水管線的運(yùn)行效果，在閥門設(shè)置上采用排氣管及泄水閥等蝶閥，從而保證管線的安全，防止出現(xiàn)意外，造成損失。

3.2 運(yùn)行措施

3.2.1 啟用前運(yùn)行方法

啟用前的運(yùn)行方法主要包括兩種，一種是輸水管線運(yùn)行，另一種是供水管線運(yùn)行。在輸水管線運(yùn)行中，如果輸水管線運(yùn)行與供水管線存在較大的相似之處，當(dāng)蓄水池水位到達(dá)一定高度后，需緩慢打開(kāi)出水閥，按照將閥門進(jìn)行開(kāi)啟，盡量保證清水池的高度。

該工程供水管線注水完成后，將水資源輸送至清水池，如果清水池水位到達(dá)一定高度，需緩慢打開(kāi)清水泵，將水閥打開(kāi)。在向輸水管線充水的過(guò)程中一定要控制充水量，盡量不超過(guò)管線的流量。在控制出口閘板閥的過(guò)程中，要特別注意以下兩個(gè)方面。

1）在注水過(guò)程中，一定要控制注水速度，將管線內(nèi)的氧氣排除，如果注水速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致管線內(nèi)部壓強(qiáng)迅速上升，在外部壓強(qiáng)的擠壓作用下，很有可能出現(xiàn)管道爆炸。

2）在關(guān)閉閥門的過(guò)程中，要嚴(yán)格按照相關(guān)流程進(jìn)行關(guān)閉，秉承先慢后快的關(guān)閉原則，當(dāng)管線在輸送水的過(guò)程中，由于管線內(nèi)還殘存著一定量的空氣，導(dǎo)致管線內(nèi)的壓強(qiáng)極不穩(wěn)定，需控制關(guān)閉閥門的速度，逐步將管線中的空氣剔除。由于輸水管線總流量的控制集中在蝶閥，在關(guān)閉蝶閥過(guò)程中，若關(guān)閉速度過(guò)快將導(dǎo)致能量波動(dòng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)爆管的可能性。在關(guān)閉閥門時(shí)盡量控制閥門的角度，關(guān)閉時(shí)間務(wù)必超過(guò)1 min，當(dāng)關(guān)閉閥門角度低于30 ℃時(shí)，則要控制關(guān)閉速度，盡量緩慢均勻地進(jìn)行關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間需要超過(guò)7 min。

3.2.2 管線附件運(yùn)行

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管線而言，管線中的排氣閥可起到重要作用，通過(guò)對(duì)排氣閥的合理設(shè)置，能將其中的氣體順利排出，防止管線內(nèi)壓強(qiáng)過(guò)大。依據(jù)GB 50013—2018《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，管線排氣閥通常應(yīng)設(shè)置在管線中的最高點(diǎn)，且在每隔500 m 處設(shè)置1 個(gè)排氣閥，從而保證空氣排出，保證管線的安全運(yùn)行。另外，還可以在管線中安裝泄壓閥以及回流管線，由于管線內(nèi)空氣的存在，導(dǎo)致管線壓力始終不穩(wěn)定，中心壓力易超過(guò)設(shè)定的壓力，面對(duì)此情況，要求立即打開(kāi)泄壓閥，將泄水閥泄出的清水進(jìn)行回流，在整個(gè)回流過(guò)程中，應(yīng)減少水流所帶來(lái)的壓力，從而保證管線運(yùn)行穩(wěn)定。如果管線壓力小于設(shè)計(jì)壓力，則泄水閥自動(dòng)關(guān)閉，從而在一定程度上減少對(duì)管線的影響。

3.2.3 輸水管網(wǎng)運(yùn)行

如果用戶突然增大或者減少水閥壓力，使輸水管線空氣擠壓較為明顯，需要采用合理的協(xié)調(diào)方式，加強(qiáng)人員之間的聯(lián)系程度，保證水管網(wǎng)運(yùn)行壓力穩(wěn)定。同時(shí)技術(shù)人員在操作過(guò)程中要隨時(shí)注意水管網(wǎng)中的壓力波動(dòng)情況，盡量避免壓力幅度較大。另外，在輸水管道的材料選擇上，盡量采用水泥管。如果在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中起到良好的效果，則不需要進(jìn)行防腐處理。在接口處采用柔性接口的方式進(jìn)行處理。如果當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)環(huán)境相對(duì)惡劣，比如，地質(zhì)松軟等，可以采用特殊的地基處理方式，從而保證水管網(wǎng)的運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)長(zhǎng)距離輸水管線的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及運(yùn)行措施進(jìn)行分析研究，通過(guò)相關(guān)計(jì)算公式建立模擬的計(jì)算模型。從實(shí)際效果看，在計(jì)算過(guò)程中，要充分考慮多種阻力參數(shù)，并進(jìn)行模擬計(jì)算，使管線設(shè)計(jì)更合理。為使管線外壁質(zhì)量達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，要求加強(qiáng)管材的選擇，保證管線的外壁結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，控制閥的設(shè)置一定要合理，以加強(qiáng)對(duì)輸水管的維護(hù)保養(yǎng)，從而保證輸水管線的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保證城市居民的用水安全。