長距離倒虹吸重力輸水管線過流能力影響因素

陳雪峰

0 引言

該輸水工程總長22.59 km，采用φ600預應力鋼筋混凝土管輸水，降雨徑流進入水庫后經集水井重力流入凈水廠混合井。集水井最低水位455.50 m，水廠混合井設計水位369.00 m，進出口水位高差86.50 m，管道最低點高程347.92 m，見圖1。

圖1 輸水管道縱斷面示意圖（單位：m）

工程設計文件中論述:管道經濟流速一般在0.6 m/s～2.25 m/s，選用φ600管合理可行，符合流速及水頭要求，對應計算表見表1。

表1 輸水管道相關參數計算表

從表1可以看出在流量1 350 m3/h時，總水頭損失80.63 m。由于進出口水位高差達86.50 m，能量尚未消耗完，因此該工程設計最大輸水流量可以達到1 350 m3/h。

該工程于1993年10月竣工運行至今已18年，輸水流量在前10年控制在1 100 m3/h左右，以后均控制在900 m3/h～1 000 m3/h。因為在輸水流量超過1 100 m3/h時，極易發生爆管或漏水事故，據統計在15次爆管或漏水事故中，輸水流量均在1 100 m3/h～1 400 m3/h范圍，而且發生區段均在樁號9+500～13+200處，該段也是倒虹吸最低段。

輸水流量降低，嚴重影響了工程效益的發揮，究竟是什么原因造成的，筆者對此進行了分析探討。

1 原因的分析查找

管道輸水能力無法達到設計效果，首先應對其管徑、水量、水壓等主要指標進行水力驗算分析，查找原因。

1.1 輸水管口徑的水力驗算

集水井和水廠混合井水位高差H=86.50 m。

管道粗糙系數n=0.012 5。

水力半徑:

曼寧公式:

沿程水頭損失系數:

由于局部水頭損失很小，在此忽略不計。

即Q=1 423 m3/h。

從上述計算中知:600口徑預應力混凝土管道在管線全部為有壓流時，其輸水能力可以達到設計最大流量1 350 m3/h。由此可斷定管道的設計口徑600完全滿足輸水能力需要，不是造成輸水能力降低的原因。

則:

1.2 輸水管路壓力的水力驗算

壓力管道在運行和關閉時所承受的壓力一般有三種:

1)閘閥關閉承受的靜水壓力;

2)運行狀態下承受的動水壓力;

3)開關閥門或流速變化產生的水擊壓強(水錘)。

1.2.1 最大靜水壓力

最高點水位455.50 m，管道最低點高程347.92 m。

輸水管線最大靜水壓力為107.58 m水頭，在樁號12+650處。

1.2.2 最大動水壓力

最大動水壓力一般應在倒虹吸底部區段。根據恒定流能量方程(伯努利方程)推算出最大動水壓力為59.27 m，在樁號10+820處。

計算方法如下:

按總水頭損失86.50 m考慮，水流至樁號10+820處，水頭損失為此處管線高程為354.80 m，與進水口水位高差為100.70 m，所以該樁號處動水壓力為100.70－41.43=59.27 m 水頭。

通過上述計算方法可推算出管線各點動水壓力值，繪制動水壓力線，可找出最大動水壓力值。由于動水壓力小于靜水壓力，在此就不贅述了。此推算均是在管線全線為有壓流時的計算方法。因為在水流速小于設計最大流速時，進水口管道有一段無壓流，此時計算動水壓力應從水廠混合井位置向上游推算。

1.2.3 管路水擊壓強(水錘)

在流速發生變化時就會有水錘產生，為簡便計算，選取在進水廠閥門關閉情況下產生水錘來驗算。當水廠進水閥以T=60 s完成關閉時，水擊傳播速度:

其中，ρ為水密度;υ為水流速;l為管長;T為閥門完全關閉時間。

即在閥門處水擊壓強為100 m水頭。

對于間接水擊，升壓時水擊壓強從閥門向管子進口(該處Δp=0)作線性遞減推算在虹吸管底部區段的水擊壓強。

所以管中產生的水錘為間接水擊。

發生水錘時:

在樁號10+820處，管道承壓107.17 m水頭。

在樁號12+650處，管道承壓115.14 m水頭。

由于水擊壓強的形成非常復雜，計算只是近似值，而且閥門操作不當時水錘會更大;預應力鋼筋混凝土管道運行一定時期后，不可避免會產生保護層脫落、鋼筋銹蝕、裂隙等情況，管道的承壓能力會大為降低;通過驗算輸水管線倒虹吸底部區段的工作壓力(水錘)為115.14 m水頭(1.15 MPa)。鑒于上述因素考慮，管材承壓選擇應上浮一個級別，或根據經驗承壓設計應取1.2倍～1.3倍系數確定，即設計承壓力應為1.6 MPa，所以選取承壓在1.6 MPa的管道較為安全合理。而實際在輸水管線工程倒虹吸底部區段采用的為1.2 MPa管道，明顯不安全，極易發生爆管漏水事故。

在樁號10+820處，動水壓強值59.27 m水頭。

1.3 影響輸水能力的其他因素

1)倒虹吸底部區段管道許多彎管部位，由于閥門開關和流量變化產生強大沖擊力后會發生管道接口脫出，出現漏水事故。在實際運行中也發生過三次此類事故。根據生產廠家提供，在靜水壓力100 m水頭時，30°～60°彎頭的承受壓力為15 t～30 t。

2)在爆管搶修中，發現管壁附著淤泥厚達2 cm～5 cm，使輸水有效口徑減小，直接導致過流能力降低，管壁變厚也是增大水擊壓強的原因之一。

3)管路沿線氣閥口徑為80 mm，從運行中觀察存在排氣能力不足的問題，大量空氣積聚產生氣囊會降低水流速，增大水擊壓強。

4)管道使用時間長，個別部位鋼筋銹蝕，強度降低，管材承壓能力下降。

5)閥門開關操作不規范，流量變化頻繁，都會增加水錘危害。

2 增大過流能力的有效辦法

通過對輸水管路水力驗算和影響因素的分析查找，應采取對癥下藥的辦法，逐一解決。

2.1 更換倒虹吸底部區段管道

由于爆管或漏水事故均發生在樁號9+500～13+200處約3.7 km長的管段，所以應更換此段管道，管材可采用承壓1.6 MPa的鋼筋預應力混凝土管或球墨鑄鐵管，這樣輸水流量可以達到1 350 m3/h，運行操作合理就不會發生爆管漏水事故。更新投資約需600萬元，即可發揮該輸水工程的最大效益。

2.2 增設止推墩

為防止倒虹吸底部區段上升或下降彎管受水錘沖擊脫落，應在彎管部位設置混凝土止推墩。

2.3 沖洗管道淤泥

利用水力坡度和泄水閥大水量分段沖洗管道淤泥。尤其在汛期，水庫水來源于降雨徑流，濁度高，泥沙含量大，管道中沉積量就大，應定期進行沖洗。

2.4 更換氣閥

該輸水管線距離長，倒虹吸重力流，運行工況復雜，排氣功能必須強大有效。按經驗比例1∶8～1∶12(排氣閥口徑∶管徑)選擇排氣閥就滿足不了需要。將80 mm口徑排氣閥更換為150 mm～200 mm口徑排氣閥較為安全合理。

2.5 操作規范科學調度

在運行中，應規范操作科學調度，減少閥門開關頻率，盡量保證水流速平穩連續。閥門開關完成時間應控制在45 min以上，并做到緩慢勻速操作。

[1]周善生.水力學[M］.北京:人民教育出版社，1982.

[2]石橋多聞.給水工程的事故與防治措施[M］.北京:中國建筑工業出版社，1982.

[3]劉乃力.長距離輸水管線管道試壓方法的探討[J］.山西建筑，2011，37(7):108-109.