人飲管道供水工程重力流影響因素分析

李壯壯

（甘肅省武山縣水務(wù)局，甘肅 武山 741300）

1 工程概況

以武山縣南部農(nóng)村飲水安全擴(kuò)網(wǎng)工程為例，該項(xiàng)目范圍包括灘歌、龍臺(tái)、城關(guān)3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總共10個(gè)行政村17個(gè)自然村實(shí)施。解決2364戶、10633人的飲水問題，其中，3552人為用水方便程度不達(dá)標(biāo)，7081人為水量不達(dá)標(biāo)。同時(shí)解決項(xiàng)目區(qū)13所中小學(xué)校、6396名師生的飲水不安全問題。供水規(guī)模571立方米/天，全日制供水。工程項(xiàng)目區(qū)涉及武山縣山區(qū)農(nóng)村，地質(zhì)多黃土山地，地貌多梁峁溝壑。淺表層水源豐富，實(shí)施管道式農(nóng)村人飲供水工程具有可行性。

2 重力流段管道水壓數(shù)值測(cè)定方法

工程擬在武山縣西河一級(jí)階地龍臺(tái)鄉(xiāng)山羊坪村以南300米處新建大口井2眼，通過泵揚(yáng)取水方式將水源井的水提至新增的龍臺(tái)加壓泵站前池。經(jīng)凈化消毒處理后，將水沿上水管線（新增一條上水管線，與原上水管并排敷設(shè)）送到高位水池，再從現(xiàn)有的高位水池，鋪設(shè)新的配水干管管道配水至各村，通過村級(jí)管網(wǎng)供水到戶。另一路配水干管是從新增的龍臺(tái)加壓泵站前池起埋設(shè)兩條配水干管配水至各村的工程方案。工程主要以管道重力流輸水為主。水壓線某點(diǎn)數(shù)值的測(cè)試通過壓力表測(cè)得（關(guān)鍵控制點(diǎn)由正三通與球閥預(yù)置一分流口，對(duì)接可移式壓力表測(cè)值），水平距離與垂直高度通過GPS定位儀測(cè)得。重力流段管道壓力控制效果通過試點(diǎn)測(cè)定南部擴(kuò)網(wǎng)工程南嶼溝段為例。通過測(cè)試，自100米開始每增加100米，管道壓力（兆帕）分別為293、270、231、200、173、151、118、78，呈遞減趨勢(shì)。

3 重力流段輸水方案分析

3.1 恒定流輸水方案

在靜壓工況下，考慮輸水管道的安全保護(hù)，即封閉管道注滿水后的工作狀態(tài)，包括管道水靜態(tài)與動(dòng)態(tài)兩種方式。管道的破裂若發(fā)生在靜水壓狀態(tài)，即末端用戶水龍頭處于全關(guān)閉狀態(tài)，多發(fā)生在午夜用水閑時(shí)段，由封閉管道內(nèi)最近蓄水池與用戶高度差形成的水壓超過管道額定壓造成；若發(fā)生在農(nóng)戶用水時(shí)段，即末端水龍頭部分打開，則管道水在重力作用下，形成具有強(qiáng)沖擊力的水錘、高壓空氣柱，加之靜水壓作用，遇到流線小角度拐點(diǎn)或流線狹窄處，瞬間釋放能量，往往沖壞隱蔽內(nèi)傷性管壁、閥門、水龍頭等。因此，輸水管線多采取大管徑、多蓄水池、多數(shù)量池前消能閥的聯(lián)合調(diào)度方式。

管線主要通過消能閥主體調(diào)節(jié)來承擔(dān)，但是水力控制消能閥開啟度一般為15%左右，存在大量的氣蝕量、震動(dòng)大，隱患多。為了盡量減少水錘、空氣柱對(duì)管道供水工程的危害性，長距離輸水線路應(yīng)充分利用管道自身阻力，以及垂直面呈“S”型管線布置參與系統(tǒng)壓力控制。重力流段采取分段長輸水管線，增加消能工逐級(jí)消能。消能工（多采用減壓設(shè)備+水工建筑物的聯(lián)合消能的形式）設(shè)置的增多，管線阻力調(diào)節(jié)功效下降，管徑略有增加，為有效控制壓力輸水，液位一般應(yīng)高于管線中心線5米以上。

3.2 管線阻力與減壓閥聯(lián)并方案

長輸管線其管道阻力影響水流速度，進(jìn)而影響系統(tǒng)流量，每一次壓力坡降線的坡度變化均影響管徑或系統(tǒng)流量的變化。一般地，在確保管道輸水安全的條件下，多采取小管徑、大流量的輸水方式。

減壓蓄水池至輸水末端用戶的管道式輸水系統(tǒng)，是管線一次減壓系統(tǒng)，武山縣農(nóng)村飲水安全工程多屬此種類型，最佳的方式就是管線阻力與水量調(diào)節(jié)閥、減壓調(diào)節(jié)閥相互配合進(jìn)行限制與控制。系統(tǒng)選擇在適當(dāng)位置一次減壓，再在輸水系統(tǒng)末端采用流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量控制。

3.3 小流量與減壓閥控制調(diào)節(jié)方案

在靜壓工作狀態(tài)下，調(diào)控小流量輸水，管道水壓會(huì)升高。因此，輸水干管較低分水點(diǎn)向較高用戶輸水時(shí)，可以通過在分水點(diǎn)安裝閥門調(diào)節(jié)至小流量，以提高管道水壓向高處供水。如果不需設(shè)置分水點(diǎn)，可采取在相應(yīng)位置加裝減壓閥來進(jìn)行壓力控制，以減少對(duì)管件的破壞程度。減壓閥確定管線的壓力一般應(yīng)不超過80米水頭。這樣，可使輸水線路能夠達(dá)到較為理想的聯(lián)合調(diào)度壓力控制效果。

3.4 重力流水錘影響因素

通過以上對(duì)重力流水錘形成原因的分析，在人飲供水工程的具體實(shí)踐過程中，管線布置的高位水池至輸水管末端，按供水管額定工作壓標(biāo)準(zhǔn)，重力流段管線劃分消能段。在每一消能段重力流水錘取決于輸水壓力管線坡度（垂直距離與水平距離之比）、輸水段管徑、輸水管流量。通過對(duì)武山縣南部擴(kuò)網(wǎng)工程部分段輸水管線水壓數(shù)值的測(cè)試，水壓變化與高程垂直面呈“S”型，長輸管線阻力（坡頂→坡腳→坡頂→坡腳）聯(lián)合減壓閥、流量調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行管道壓力控制，其壓力控制效果較理想。

4 重力流水錘保護(hù)措施

重力流水錘易引起瞬變流，激起渦漩流、涌動(dòng)流，產(chǎn)生空穴，瞬間形成封閉性高壓空氣柱。一般地，應(yīng)采取以下保護(hù)措施：①在輸水管線末端應(yīng)逐級(jí)消能，末端閥門多階段關(guān)閉。②管線高點(diǎn)處安裝防水錘型空氣閥。③末端調(diào)節(jié)閥之前，安裝與其聯(lián)動(dòng)的壓力波動(dòng)預(yù)止閥。④溝壑地帶主管線部分考慮安裝超壓泄壓閥。⑤通過PIPE2000流體力學(xué)工程計(jì)算軟件包系統(tǒng)優(yōu)化輸水方案。根據(jù)水利部《關(guān)于推進(jìn)農(nóng)村供水工程規(guī)范化建設(shè)的指導(dǎo)意見》，也對(duì)泵站防止水錘做出了要求。通過采取以上措施將很大程度降低水錘對(duì)管道及水龍頭等配件的破壞，提升供水管材使用壽命、極大地降低維修費(fèi)用、提高供水安全保障水平發(fā)揮重大作用。