淺析長距離大流量重力流輸水管道設計要點

高小濤 李紅帥 朱君妍

（1.黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 450000；2.華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

1 引言

隨著國民經濟的迅速發展， 人民生活水平的提高和城鎮化建設進程的加快，長距離輸水工程日益增多，工程的規模也越來越大，由此帶來的技術問題也愈發復雜。 因此，應嚴把施工、設備及閥門質量，同時輸水線路的優化設計是重中之重。

圖1 某分水口門供水管線總平面示意圖

南水北調中線配套工程某分水口門年均分配水量23990 萬m3。 輸水主管線起點為分水口門后進水池出口，輸水主管道長度為80.2km，管徑為3.0m～2.6m。 支線總長30.95km，管徑為1.0m～2.4m。主管道設計流量為13.0m3/s，分水口門設計水位為96.05m，加大水位為96.45m，最低控制水位為95.52m。

2 管材選擇

隨著工程技術、新型材料的發展，我國引進了大量的新型管材和新的生產工藝， 為供水工程管材的選擇提供了更多的余地。 目前給水管材有多種， 但大都在鋼管（SP）、預應力鋼筋混凝土管（PCP）、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）、玻璃鋼管（GRP）、鋼塑復合管等中選擇。 各種管材都存在優缺點，其對比詳見表1。

從安全方面考慮，鋼管、球墨鑄鐵管，PCCP 管比較安全，特別是在工作壓力高，管徑大，管線起伏較多的工程中。對于DN1000mm 以上的管徑，優先選用預應力鋼筒混凝土管（PCCP），球墨鑄鐵管（DIP）價格較高，鋼管要特別注意防腐處理以延長使用壽命[1]。

表1 不同管材不同性能對比表（以工作壓力1.0MPa 為例）

本工程供水壓力小于1.0MPa， 管線周邊工程地質條件較好。 結合附近潛在管材供貨廠家情況，并考慮到大口徑PCCP 管具有耐久性好、抗震能力強、耐腐蝕性能好、使用壽命長等特點，而且大口徑管道價格相對便宜，主管線推薦采用PCCP 管材，管徑為DN3000mm 和DN2600mm，支管線管徑為DN1400mm、DN1600、DN2400mm， 管材均為PCCP 管材。 管線在穿河、過路等特殊地段采用鋼管。

3 管道附屬設備設計

輸水線路為一條主干線和五個分支管線組成的復雜供水系統，根據供水安全的需要，輸水線路沿線設置控制閥、檢修閥，進排氣閥、放水閥、流量計、調流調壓閥、壓力變送器、壓力表等附屬設備。 對整個供水系統的流量、壓力進行監測和控制， 有效預防和消除水錘對系統造成的危害，保證供水系統的安全性和可靠性。

3.1 控制閥

輸水管道沿線控制閥的設置主要考慮沿線多分枝供水時，某一支線檢修不對其他支管線產生影響，因此在主管線上分支口處及支線的起端設置控制閥。 控制閥井內設電動閥門、壓力表和壓力變送器，閥件儀表信號輸送至就近管理房內的控制系統進行控制。 控制閥采用電動蝶閥，閥前閥后分別設置壓力表、壓力變送器、直徑DN3000的蝶閥，采用DN800 半球閥作為控制閥的旁通閥。

3.2 進排氣閥

輸水管道在啟動、檢修和正常運行過程中，均需要補氣或排氣。 在輸水線路沿線上坡段、下坡段、長水平段和凸頂點、坡度變陡點等起伏變化部分置進排氣閥。 閥門間距按約0.8～1.0km 設置一個， 可以滿足管道進排氣需求，同時根據過渡過程模擬計算， 在特殊位置適當加密進排氣閥可以有效預防水錘。 根據水錘計算成果，管道沿線設置含檢修人孔的進排氣三通，并配置檢修閥和雙排氣閥。直徑3m 的管道，其單個進排氣閥均為DN300，直徑2.6m的管道，其單個進排氣閥均為DN250。

3.3 檢修閥

輸水主管道長度約80.2km， 屬于長距離輸水管道工程。 根據規范要求一般每5～10km 設置1 處檢修井，在穿越大型河道、鐵路、公路處也應考慮設置檢修閥，在安裝水力控制閥，如減壓閥、流量計等閥件的地方也應布置檢修閥。 考慮到管道運行、安裝、更換的方便，每個檢修閥處配套設置可拆式松套傳力接頭。

3.4 放空閥

放空閥的作用是在檢修時，放空部分管段內的水，放空閥一般設置在線路的最低點。 放空閥設計主要考慮放空時間t 及避開管道沿線的農田和建筑物。考慮到放空時水量較大，根據管道的實際布置，在有河流、溝渠的地方設置放空閥， 檢修時， 管道中的水就近放至河流或溝渠中。 經綜合考慮，直徑3m 的管道，放空閥為DN600，直徑2.6m 的管道，放空閥為DN500，可以滿足管道檢修及放空的要求。

3.5 流量計

流量計設置在輸水總管進口處及各支管線的末端，以計量管道的輸送水量和水廠接收的水量， 為動態控制提供流量數據。

根據國內外流量計生產運行實際， 經比較管道直徑大于1.6m 選用超聲波流量計，小口徑管道選用電磁流量計。 超聲波流量計選用五聲道及以上， 測量精度等級取0.5 級，不僅可以顯示瞬間流量和累計流量，還可以在流量發生超常變化時發出報警。 流量計與自動監控系統聯網，自動監控各測量點的流量及變化。 在流量計前的檢修井內設置1 臺壓力變送器，以便監測管道壓力，流量計設置旁通閥，可以保證在檢修或更換流量計時，輸水管道正常運行。

3.6 調節閥

為避免管道產生大幅度的波動， 維持管道出口處恒定流量，保證出口處的壓力水頭，需要在管道末端設置調節閥。 為了在調節閥檢修維護時不斷流，需在該位置設旁通管。 在調節前設流量計，通過流量信號對調節閥進行控制。 在調節閥后和流量計前設旁通管。

經過水力過渡過程分析計算， 并結合調流調壓閥的生產制造能力， 對于主管徑DN2600 的輸水管道末端，并聯設置調節閥2 個， 閥徑均為DN1600， 壓力等級PN1.0MPa。支管線管徑DN2400，并聯設置調節閥2 個，閥徑均為DN1600，壓力等級PN1.0MPa。 對于沿線分支管線均設置流量調節閥。

4 管線水錘防護

本工程屬于重力流輸水工程，且屬大流量、長距離供水工程，在實際運行過程中，運行工況復雜，在工況切換過程中整個輸水系統會發生水力過渡過程現象。 該水力過渡過程不僅持續時間長， 而且將引起管線壓力及供水流量發生較大幅度的變化， 嚴重威脅整個輸水系統的供水安全。 因此，對其水力過程進行模擬計算，并采用合理措施進行事故防范是保證本工程安全供水的關鍵。

4.1 分析計算

采用Bentley.Hammer 水錘分析計算軟件進行建模，將沿線輸水管道特征參數輸入模型。 經過多次模擬分析，最終確保管道在正常運行工況、關閥、開閥、爆管工況下，管道沿線無負壓， 管道的最大水錘壓力在管道正常壓力值范圍內。

4.2 水錘安全防護

經過計算分析， 在主管線樁號K32+900 附近設置一座雙向調壓塔， 斷面直徑為15.0m， 其頂部高程為101.0m；在樁號K32+900 附近設置一座單向調壓塔，斷面直徑為10.0m，其頂部高程為66.50m；在樁號K68+520 附近設置一座單向調壓塔， 斷面直徑為10.00m， 頂高程為59.81m。

4.2.1 各支線水廠端閥門單獨關閉時的防護要求

在各個支線水廠正常運行工況下， 當支線需要停水時， 規劃水廠01、02、03、04 支線末端水廠閥門可以較快關閉。 其中規劃水廠01 閥門關閉時間應大于50s，規劃水廠03 閥門關閉時間應大于42s，規劃水廠04 閥門關閉時間應大于50s，規劃水廠02 閥門關閉時間應大于40s。 規劃水廠05 單獨關閉閥門時，水廠閥門的關閉時間應大于420s。

4.2.2 各支線水廠端閥門同時關閥

對于同時關閥工況，為滿足各管段的壓力控制標準，規劃水廠01、02、03、04、05 閥門關閉時間應分別不小于75s、162s、210s、233s、1940s。

4.2.3 各支線水廠端閥門依次開閥

當分水口門進水池為最低水位時， 為確保各管段不出現負壓，按先后順序，規劃水廠05、04、03、02、01 末端閥 門 開 閥 時 間 應 分 別 不 小 于3080s、620s、900s、710s、850s。

在輸水線路上設置3 座調壓塔后， 各支線末端設置調流調壓閥，按計算給定的開、關閥規律和時間運行，可有效防護管道正常運行爆管工況下產生的水錘。

5 結論與建議

多分枝長距離供水的關鍵是流量分配和管網的水錘預防。 在滿足供水對象對流量的需求的前提下，進行過渡過程模擬，通過沿線流量調節、自動控制來實現長距離安全輸水是本供水設計的關鍵。

5.1 工程設計應能保證供水安全。尤其對長距離、多分枝管道的水錘計算防護是重點，根據計算成果，沿線應設置排氣、檢修、調流調壓、調壓塔等安全措施，保證安全供水。

5.2 工程設計應能滿足經濟合理、技術可行的要求。管徑應能滿足過流量需求， 管材應能適合當地的地質條件，交叉管線或穿越建筑物的施工應考慮方案的可行性。

5.3 工程設計中應考慮后期運行維護的方便。 管道建成后運行過程中難免會發生爆管、泄漏情況，或遭到破壞，因此在設計過程中考慮檢修道路是非常有必要的。

［1］馬俊青，鞠厚磊.南水北調配套工程輸水管道設計中問題的探討［J］.河南水利與南水北調，2011（7）:34-36.