雙管式溢流穩(wěn)壓塔技術(shù)研究及應(yīng)用

周慶春

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 課題背景

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水（二期）工程的主要任務(wù)是將渾江調(diào)來(lái)的水經(jīng)大伙房水庫(kù)調(diào)節(jié)后有效配置給遼寧中部地區(qū)的撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、盤(pán)錦等6個(gè)缺水城市，是老工業(yè)基地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和改造、沿海經(jīng)濟(jì)帶開(kāi)發(fā)的重要區(qū)域性水資源配置工程，涉水人口上千萬(wàn)。工程分兩步實(shí)施，一是工程設(shè)計(jì)水平年為2015年，輸水量為327萬(wàn)t/d；二是工程設(shè)計(jì)水平年為2030年，輸水量為504萬(wàn)t/d。

二期工程恒定流計(jì)算過(guò)程中，為解決靜水壓力問(wèn)題，設(shè)置了4座雙向穩(wěn)壓塔，考慮水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果的要求，又增設(shè)了2座雙向穩(wěn)壓塔，共設(shè)置了6座雙向穩(wěn)壓塔，塔高為38～50m高。傳統(tǒng)的雙向溢流穩(wěn)壓塔造價(jià)高，為降低工程造價(jià)，有必要研究一種簡(jiǎn)單易行的雙向穩(wěn)壓塔，要求既能大量溢流，又能及時(shí)向管道中補(bǔ)水，以消除水力過(guò)渡過(guò)程中的壓力波動(dòng)。為此，課題組提出了雙管式溢流穩(wěn)壓塔（倒“U”型）。

2 倒“U”型穩(wěn)壓塔結(jié)構(gòu)示意圖

倒“U”型穩(wěn)壓塔主要結(jié)構(gòu)由上水豎管、 下水豎管、整流孔板、90°彎頭、水平進(jìn)出水管和空氣閥組成，其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1 。

其主要工作原理是當(dāng)管路測(cè)壓管⑩水頭大于上水豎管高程時(shí)，在塔頂產(chǎn)生溢流，經(jīng)下水豎管⑥和水平出水管⑨將水排出溢流塔，達(dá)到減小管路壓力和大量泄水的目的。

目前國(guó)內(nèi)多采用圓筒式溢流塔，其技術(shù)方案是，在塔頂設(shè)堰下水室，匯集堰下水流入溢流水道，然后在地面設(shè)消力池和排水渠。這種溢流塔上部結(jié)構(gòu)體積龐大、復(fù)雜，在高出地面25～55m的情況下，塔身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，施工難度大,投資多。同時(shí)在管路事故關(guān)閥后,很難快速泄流。

倒“U”型穩(wěn)壓塔全部采用密閉管道連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工容易，塔身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，適用于穩(wěn)壓塔塔身高的水系統(tǒng)。不但能及時(shí)穩(wěn)定地釋放主管道產(chǎn)生的瞬間高壓，同時(shí)還可排除主管道系統(tǒng)的大量泄水，確保主管道系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

3 倒“U”型穩(wěn)壓塔的功能及技術(shù)特點(diǎn)

3.1 倒“U”型穩(wěn)壓塔的功能

(1) 起到消除水系統(tǒng)管道中的水錘，并可避免二次水錘發(fā)生的作用。

(2) 起到向主管道系統(tǒng)補(bǔ)水的作用，防止管道產(chǎn)生真空、拉斷的作用。

(3) 起到避免水系統(tǒng)靜壓超壓發(fā)生，并可大量泄水的作用。

圖1 倒“U”型穩(wěn)壓塔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 倒“U”型管的技術(shù)特點(diǎn)

（1）整流環(huán)的尺寸。整流環(huán)的尺寸大小直接影響倒U 型管內(nèi)流體的流動(dòng)特性，尺寸太大，起不到減小彎頭影響的作用，尺寸太小，容易在整流環(huán)后面產(chǎn)生二次流，而且會(huì)增加管道內(nèi)的流動(dòng)阻力,對(duì)垂直管內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生新的影響。通過(guò)大量的數(shù)值計(jì)算反復(fù)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)整流環(huán)尺寸為0.8≤d/d0≤ 0.9時(shí)，整流作用顯著，而且不會(huì)對(duì)垂直管內(nèi)的流動(dòng)產(chǎn)生新的影響。整流環(huán)抑制了彎頭對(duì)流動(dòng)的影響。

（2）整流環(huán)的效果。通過(guò)整流環(huán)整流后3d～5 d內(nèi)的距離水流達(dá)到穩(wěn)定，即整流裝置對(duì)管內(nèi)單相流動(dòng)起到了穩(wěn)定的作用。

（3）整流環(huán)的位置。若第一個(gè)整流環(huán)（消能孔板）太靠近塔頂，容易使管中水充滿，影響進(jìn)氣，而導(dǎo)致豎管負(fù)壓較大。出水豎管的上半部布置一個(gè)以上整流環(huán)，下半部應(yīng)布置一個(gè)以上整流環(huán)。豎管上面第一個(gè)整流環(huán)應(yīng)布置在距塔頂溢流水位不超過(guò)8m為宜。

（4）塔頂進(jìn)排氣。進(jìn)氣是本溢流塔的一個(gè)關(guān)鍵因素，進(jìn)氣量太少，在下水豎管中容易產(chǎn)生負(fù)壓，會(huì)引起空蝕；進(jìn)氣量太多，又會(huì)使水平出水管產(chǎn)生水，氣兩相流，流態(tài)不穩(wěn)，故要嚴(yán)格設(shè)定進(jìn)氣孔的大小和數(shù)量。

排氣的作用主要是考慮起初運(yùn)行時(shí)的排氣和正常運(yùn)行時(shí)排除水中溶解的空氣。

起初運(yùn)行時(shí)是排除塔內(nèi)進(jìn)水流量的等量排氣量。正常運(yùn)行時(shí)考慮水中溶解空氣量按1.0%～2.0%考慮。

（5）倒“U”型管的循環(huán)管。為保證倒“U”型管內(nèi)水質(zhì)潔凈，應(yīng)在塔內(nèi)正常高水位一定深度下設(shè)置一根循環(huán)管，其上設(shè)置一個(gè)電動(dòng)閥門，可定期將上水豎管內(nèi)的水排放至下水豎管內(nèi)。

（6）水墊層。為了減少塔頂部溢流的水流對(duì)下部的沖擊，同時(shí)考慮水流跌水至底部后的摻氣問(wèn)題，應(yīng)在出水豎管底部設(shè)置一定深度的水墊層，水墊層的厚度應(yīng)為溢流高度的1/3～1/4。

考慮出水水平管的流態(tài)，避免明滿流交替發(fā)生，應(yīng)保證水平出水管頂有一定的淹沒(méi)深度，其深度應(yīng)為出水管一倍管徑的深度。

（7）倒“U”型管的保溫。在寒冷地區(qū)，倒“U”型管需做外保溫，保溫可采用電伴熱帶和巖棉保溫。電伴熱帶可根據(jù)塔內(nèi)水溫的情況自動(dòng)加熱，以保證水不結(jié)冰。

4 倒“U”型管穩(wěn)壓塔與傳統(tǒng)穩(wěn)壓塔的比較

傳統(tǒng)式穩(wěn)壓塔多采用帶豎管式穩(wěn)壓塔,其上部中心為圓形溢流池，上水豎管進(jìn)入溢流池后，通過(guò)跌水堰溢流至環(huán)形集水槽，然后通過(guò)下水豎管排至塔外。大伙房水庫(kù)輸水（二期）工程如果采用帶豎管式穩(wěn)壓塔，其上部溢流池僅水的有效容積為2000m3，維護(hù)結(jié)構(gòu)的平面尺寸為27m×27m，高出地面50m的水池的重量靠塔體承擔(dān)，塔體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

倒“U”型管結(jié)構(gòu)，維護(hù)結(jié)構(gòu)平面尺寸僅為14.5m×14.5m，而且塔體上部?jī)H為DN3000的鋼管結(jié)構(gòu)，水的有效容積僅為70m3，其重量由鋼管本身承擔(dān)，維護(hù)結(jié)構(gòu)僅承擔(dān)鋼管及自身的穩(wěn)定，維護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。

對(duì)于 50m高的穩(wěn)壓塔，倒“U”型管穩(wěn)壓塔工程造價(jià)為820萬(wàn)元，傳統(tǒng)式帶豎管穩(wěn)壓塔工程造價(jià)為2146萬(wàn)元，可見(jiàn)，倒“U”型管穩(wěn)壓塔要比傳統(tǒng)式穩(wěn)壓塔省近2/3。

5 倒“U”型管穩(wěn)壓塔的應(yīng)用

倒“U”型管穩(wěn)壓塔已成功應(yīng)用在大伙房水庫(kù)輸水（二期）工程中，在工程長(zhǎng)154.6 km的PCCP管道上共設(shè) 6座雙向倒“U”型管穩(wěn)壓塔，在實(shí)際運(yùn)行中起到了很好的防水錘、防真空和防靜壓超壓作用，對(duì)管道安全運(yùn)行提供了很好的保障作用。