长距离输水管道设计中几个问题的探讨

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山西水利
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0""1 年第 2 期
长距离输水管道设计中几个问题的探讨
袁恒太
J 运城市夹马口引黄工程管理局， 山西 运城 "77""" K L 摘要 M 长距离输水管道目前已在城市供水、 农灌泵站等领域中广泛采用， 而输水管道设计合理与否， 将对工程投资、 施工、 运行管理等方面产生很大影响， 以运城市引黄济运供水工程、 海鑫集团供水工程为例， 探讨了工程设计中容易 被忽视的几个问题， 以供同类工程设计参考。 L 关键词 M 长距离； 输水管道； 设计 L 中图分类号 M *=2D5 ; 6 0 L 文献标识码 M N L 文章编号 M 3""7 O 5"70 J 0""1 K "2 O ""!" O "0
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线长， 投资大， 因此， 在选择管线时应根据下列原则确 定：一是应尽量做到线路短、起伏小、土石方工程量 少、 造价经济、 少占农田或不占农田； 二是管线走向的 位置应符合城市规划要求，并尽可能沿现有道路或规 划道路敷设，以利施工和维护；三是尽可能地减少拆 迁； 四是应尽量避免穿越河谷、 山脊、 沼泽、 重要铁路 和泄洪地区；五是管线应充分利用水位高差，当条件 许可时优先考虑重力流输水；六是管线应考虑近远期 结合和分期实施的可能。根据此原则，在运城市引黄 济运供水管线的选取上，首先在 3$3" """ 地形图上 布线， 然后进行实地踏勘。充分考虑选线的原则， 在设 计中比选两条线路，即北线方案和南线方案。在北线 方案上又比选了三条线路，主要考虑穿越运风高速公 路引桥、 涑水河、 村庄、 机井以及进运城市区等情况， 经反复踏勘、 测量、 比较， 同时还充分利用预应力混凝 土管允许管线偏转小于 !4的特点， 最后确定了线路最 短、 拆迁建筑物最少、 投资最省的北线方案， 其管线长 比南线方案短 7 89。 256 7 89， 0 管径确定 06 3 经济管径法 经济管径法确定半径的计算公式为： !" ! 7# ，# " ( ) %! $ ’
" - . 0" 1 , ， / 式中： — 沿程水头损失， 2 3—— #； — 平均流速， 4 —— # 1 5； — 水力半径， 0 —— #； — 流速系数； - —— — 管道糙率； / —— — 输水管长度， 6 —— #。 输水管道中混凝土管糙率的取值直接影响流速、 由 流量的计算结果， 设计中管糙率一般取值为 $( $"%。 运城市引黄济运供水工程的设计与运行情况对比可 知： 原设计混凝土管糙率按常规取值为 $( $"%， 设计计 算每日自流输水能力为 +( ), 万 7 8 ’( "’ 万 7；而从 "*** 年 * 月 +& 日至 +$$+ 年 "+ 月的输水运行记录可 知， 平均每小时自流输水量为 " ’", #’ 8 " ,*% #’ ， 每 日的自流输水能力 ’( ", 万 #’ 8 %( $) 万 #’ ；其运行 情 况 比 设 计 计 算 自 流 输 水 能 力 高 $( % 万 #’ 1 9 8 $( *% 万 #’ 1 9， 经 反 算 输 水 ， 管 道 糙 率 平 均 值 为 建议在长距离输水混凝土管设计中， 混 $( $"’。因此， 凝土管糙率取 $( $"’。 % %( " 气阀设置及闸阀后镇墩的设置 气阀的设置 气阀设置主要由管道压力计算与管线地形条件 来确定， 若管道为泵站加压输水， 主要考虑三种情况： 一是计算管路输水系统在事故停泵水锤过程中最大 压力升高情况，以确定管线各段管的工作压力；二是 计算输水管路是否出现负压，据此采取安全防护措 （真空） 施， 以免由于管道出现高负压 时水柱拉断， 从 而引起水柱弥合时的高正压水锤；三是计算水泵机组
B 作者简介 C 袁恒太 D "*!& A E ， 男， "*&% 年毕业于太原工学 院水利系水工专业， 高级工程师。 B 收稿日期 C +$$’ A "$ A $* ； B 修回日期 C +$$’ A "" A $’
由表 " 可以看出，单线直径 " $$$ ## 方案明显 优于其它方案， 故选该方案。 ’ 预应力钢筋混凝土管糙率的取值 由管道水力计算公式： !" # $%+ ， &+’
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管线选择 输水管道担负着将源水送往城市的输水任务，管
式中： — 设计年限中供水能量的变化系数； " —— — 电费， 分 ? 度； + —— — 水头损失计算公式) " E —— — 折旧和大修费率； F —— — 投资偿还期， 年； G —— — 排管单价公式 / C : ; H<: 中的指数和系数； :， H—— — 泵站的总效率； # —— — 输水管计算流量， A —— 91 ? @ 。 06 0 经济流速法 经济流速法是根据倒虹吸管及泵站管路的设计 要求来确定管径，管路流速不宜过大，否则会增加水 头损失，从而增加管道出口防冲工程量及泵站投资， 管内的适宜流速为 36 0 9 ? @ I 16 ! 9 ? @。 06 1 优缺点比较 据上所述， 经济管径法中参数 B、 +、 # 要经过反复 计算才能确定，且参数 :、H 不容易确定，但由公式的 含义可以看出，所确定的管径比较合理。经济流速法 所给定的管径范围比较大， 究竟如何取值， 难以确定， 故提出管径优选法。 06 7 管径优选法原理 管径优选法是根据经济流速法确定管径范围，在 满足给排水规范的前提下，拟定一组管径流速大于 进行水力计算及投资分析， 从中确定 "6 2 9 ? @ 的管道。 一个最优管径的办法。 06 ! 管径确定 以运城市引黄济运供水工程为例来研究：该工程 日供水量 2 万 91 ， 管线总长 256 7 89， 管材选用预应力 当 混凝土管。根据规范， 输水干管一般不宜少于 0 条， 有安全贮水池或其它安全供水措施时，也可以建 3 条 输水管。考虑到运城市为多水源供水，也有一定容量 的贮备水池，初选适合经济流速范围的几种管径：
袁恒太： 长距离输水管道设计中几个问题的探讨
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单线直径 " $$$ ##，单线直径 &$$ ##，双线直径 经水力计算确定出各方 &$$ ##。比较确定最优管径， 案加压泵站的位置、 需要扬程、 泵站投资、 ! 年的电费 及管道投资并进行方案比较。
表" 管径 ## " $$$ &$$&$$ 万元 % &!’(& ’ *$+(! ) &$!($ 管径优选结果表 合 计 万元 ! &)!($ ) &!&(! & ,%,($ 万元 &)() +*&($ "+$($ 万元 *’’(! ’ ,!&($ )+"($ 备 注 单线 单线 双线 管道投资 加压泵站投资 ! 年电费
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*#( 中的系数； !!
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式中： — 管道内直径， < —— 9； — 管道经济流速， = >—— 9 ? @； — 压力管道的经济流量， A >—— 91 ? @ ； *#( — 水头损失计算公式) " ! 中的指数； "， 9 —— ! — 经济因数。 B —— D2 "+, ! ， ’ C（ ; - 3""? . ） /0 #
在事故停泵时的运转情况， 以确保水泵机组的安全。 若管道为重力流输水时， 管道压力计算主要考虑闸阀 关闭、开启及正常工作情况下产生的水锤压力及静、 动水压力。运城市海鑫供水工程为泵站加压输水， 泵 站地形扬程 ,"( %& #， 设计流量为 " #’ 1 5， 输水管道采 用直径 " +$$ ## 的预应力混凝土管， 长 ’"( ,+ :#； 经 水锤分析计算， 压力管路最大水锤压力发生在断电后 （ ，起始断面 即 $ ; $$$ 处）<#=> . ""( $% :? 1 @#+ ， )& 5 <#3/ . A )( & :? 1 #+ ；从全管长压力包络分布情况看， （桩号 +, ; $$$ （+ :#） 及管道下游段 压力管路起始段 断面以后） 负压较大， 最大负压达到 A "! #， 计算后确 定在 " ; &$$，& ; !!$，"% ; )!$，+) ; !!$，+* ; $$$， ’" ; $$$ 处安装补气阀消除负压，在桩号 $ ; $$$ 处， 安装微阻缓闭止回阀作为防护措施； 根据水气双向流 的特征， 气阀应安装在管线的最高点， 为此， 在管线纵 坡设计时应人为调整纵坡，制造制高点，使管线纵 坡有升有降， 呈波浪式起伏， 该管线共安装进、 排气阀 平均间距 !+) #， 经一年多时间供水， 运行状况 !& 个， 良好。 %( + 闸阀后镇墩的设置 在输水管线中，不论采用预应力混凝土管，还是 玻璃钢管，管与管之间一般都为柔性接口。运城市引 黄济运供水设计中，由于对阀、管连接处的阀后镇墩 设置未引起足够重视，因此在某段打压试验中，由于 输水管线全部为柔性接口，阀后又未设镇墩，致使阀 门关闭时产生的水锤压力使阀门产生位移，导致接口 松动， 发生漏水事故。 经分析研究， 将输水管线以 ’) ; 下游两部分考虑， 在管路上 %+$ 加压站为中心分上游、 出现事故时关闭加压站蝶阀， 这样在 ’) ; %+$ 上游蝶 阀关闭时， 水锤压力传向下游， 镇墩应设在蝶阀下游， 在 ’) ; %+$ 下游蝶阀关闭时，水锤压力传向上游，镇 墩应设在蝶阀上游，同时注意蝶阀关闭时间均应大于 为了使镇墩能与蝶阀连为整体， 将水锤压力全 ’ #3/； 部传给镇墩， 设计将丙丁盘短管与混凝土管柔性连接 口变为钢性，即将承插口内外环向间隙用 " $+ 水泥 砂浆填塞，经此办法处理后，蝶阀镇墩在全线分段静 水试压过程中起到了很好作用，在 ’ 年多的运行中未 出现类似问题。所以，长距离输水管道若为重力流输 水时， 镇墩应设在闸阀的下游； 若为泵站加压输水时， 镇墩应设在闸阀的上游；同时，闸阀与镇墩之间的短 管应为钢性连接。