雙管式溢流穩壓塔技術研究及應用

周慶春

（遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006）

1 課題背景

遼寧省大伙房水庫輸水（二期）工程的主要任務是將渾江調來的水經大伙房水庫調節后有效配置給遼寧中部地區的撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦等6個缺水城市，是老工業基地產業結構調整和改造、沿海經濟帶開發的重要區域性水資源配置工程，涉水人口上千萬。工程分兩步實施，一是工程設計水平年為2015年，輸水量為327萬t/d；二是工程設計水平年為2030年，輸水量為504萬t/d。

二期工程恒定流計算過程中，為解決靜水壓力問題，設置了4座雙向穩壓塔，考慮水力過渡過程計算結果的要求，又增設了2座雙向穩壓塔，共設置了6座雙向穩壓塔，塔高為38～50m高。傳統的雙向溢流穩壓塔造價高，為降低工程造價，有必要研究一種簡單易行的雙向穩壓塔，要求既能大量溢流，又能及時向管道中補水，以消除水力過渡過程中的壓力波動。為此，課題組提出了雙管式溢流穩壓塔（倒“U”型）。

2 倒“U”型穩壓塔結構示意圖

倒“U”型穩壓塔主要結構由上水豎管、 下水豎管、整流孔板、90°彎頭、水平進出水管和空氣閥組成，其結構形式見圖1 。

其主要工作原理是當管路測壓管⑩水頭大于上水豎管高程時，在塔頂產生溢流，經下水豎管⑥和水平出水管⑨將水排出溢流塔，達到減小管路壓力和大量泄水的目的。

目前國內多采用圓筒式溢流塔，其技術方案是，在塔頂設堰下水室，匯集堰下水流入溢流水道，然后在地面設消力池和排水渠。這種溢流塔上部結構體積龐大、復雜，在高出地面25～55m的情況下，塔身結構復雜，穩定性差，施工難度大,投資多。同時在管路事故關閥后,很難快速泄流。

倒“U”型穩壓塔全部采用密閉管道連接，結構簡單，施工容易，塔身結構穩定性好，適用于穩壓塔塔身高的水系統。不但能及時穩定地釋放主管道產生的瞬間高壓，同時還可排除主管道系統的大量泄水，確保主管道系統的運行安全。

3 倒“U”型穩壓塔的功能及技術特點

3.1 倒“U”型穩壓塔的功能

(1) 起到消除水系統管道中的水錘，并可避免二次水錘發生的作用。

(2) 起到向主管道系統補水的作用，防止管道產生真空、拉斷的作用。

(3) 起到避免水系統靜壓超壓發生，并可大量泄水的作用。

圖1 倒“U”型穩壓塔結構示意圖

3.2 倒“U”型管的技術特點

（1）整流環的尺寸。整流環的尺寸大小直接影響倒U 型管內流體的流動特性，尺寸太大，起不到減小彎頭影響的作用，尺寸太小，容易在整流環后面產生二次流，而且會增加管道內的流動阻力,對垂直管內的流動產生新的影響。通過大量的數值計算反復驗證發現，當整流環尺寸為0.8≤d/d0≤ 0.9時，整流作用顯著，而且不會對垂直管內的流動產生新的影響。整流環抑制了彎頭對流動的影響。

（2）整流環的效果。通過整流環整流后3d～5 d內的距離水流達到穩定，即整流裝置對管內單相流動起到了穩定的作用。

（3）整流環的位置。若第一個整流環（消能孔板）太靠近塔頂，容易使管中水充滿，影響進氣，而導致豎管負壓較大。出水豎管的上半部布置一個以上整流環，下半部應布置一個以上整流環。豎管上面第一個整流環應布置在距塔頂溢流水位不超過8m為宜。

（4）塔頂進排氣。進氣是本溢流塔的一個關鍵因素，進氣量太少，在下水豎管中容易產生負壓，會引起空蝕；進氣量太多，又會使水平出水管產生水，氣兩相流，流態不穩，故要嚴格設定進氣孔的大小和數量。

排氣的作用主要是考慮起初運行時的排氣和正常運行時排除水中溶解的空氣。

起初運行時是排除塔內進水流量的等量排氣量。正常運行時考慮水中溶解空氣量按1.0%～2.0%考慮。

（5）倒“U”型管的循環管。為保證倒“U”型管內水質潔凈，應在塔內正常高水位一定深度下設置一根循環管，其上設置一個電動閥門，可定期將上水豎管內的水排放至下水豎管內。

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

考慮出水水平管的流態，避免明滿流交替發生，應保證水平出水管頂有一定的淹沒深度，其深度應為出水管一倍管徑的深度。

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

4 倒“U”型管穩壓塔與傳統穩壓塔的比較

傳統式穩壓塔多采用帶豎管式穩壓塔,其上部中心為圓形溢流池，上水豎管進入溢流池后，通過跌水堰溢流至環形集水槽，然后通過下水豎管排至塔外。大伙房水庫輸水（二期）工程如果采用帶豎管式穩壓塔，其上部溢流池僅水的有效容積為2000m3，維護結構的平面尺寸為27m×27m，高出地面50m的水池的重量靠塔體承擔，塔體結構復雜。

倒“U”型管結構，維護結構平面尺寸僅為14.5m×14.5m，而且塔體上部僅為DN3000的鋼管結構，水的有效容積僅為70m3，其重量由鋼管本身承擔，維護結構僅承擔鋼管及自身的穩定，維護結構相對簡單。

對于 50m高的穩壓塔，倒“U”型管穩壓塔工程造價為820萬元，傳統式帶豎管穩壓塔工程造價為2146萬元，可見，倒“U”型管穩壓塔要比傳統式穩壓塔省近2/3。

5 倒“U”型管穩壓塔的應用

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