空氣閥井保溫與通氣方案探討

李 玥

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006）

1 工程概況

某大型供水工程位于遼寧省境內(nèi)，是實現(xiàn)遼寧省東部、西北部及遼河干流地區(qū)水資源的優(yōu)化配置，解決遼西北及遼河干流地區(qū)城鄉(xiāng)生活、生產(chǎn)、生態(tài)缺水問題的大型地表水供水工程，是未來上述地區(qū)發(fā)展的水源保障，是確保遼西北地區(qū)生活穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展、改善環(huán)境的基礎(chǔ)性工程。本工程管道長度約為370 km，管徑為DN3200-DN5800，采用預應力鋼筒混凝土管（PCCP）。

2 空氣閥及井室的設(shè)置

空氣閥對輸水管道安全運行至關(guān)重要，壓力輸水管道排氣和進氣不暢是管線發(fā)生事故的重要原因之一，輸水管道中空氣的逐漸積累，形成氣囊，使水流通道縮小甚至切斷，水流受阻，造成系統(tǒng)輸水能力下降；另外隨著氣囊的逐漸增大，管內(nèi)水流速度和動壓不斷變化，并可能產(chǎn)生較大的振動甚至水錘，因此必須排除輸水管道的空氣。

水流在壓力輸水管線產(chǎn)生空氣的來源有三種情況：

a.管線開始充水時管中空氣需要排出；

b.管線正常運行時，水中會有溶解的空氣隨溫度的上升或壓力下降從管道中析出；

c.由于管線的放空、瞬變流等情況管線出現(xiàn)負壓時，空氣從外部進入管中；

在輸水管道的適當位置設(shè)置空氣閥是保證輸水管線安全、經(jīng)濟運行的一種有效方法。針對上述三種情況可選用空氣閥來解決管線中的進、排氣問題。空氣閥位置的設(shè)置部位如下：管線駝峰處、長水平管中間處、長下坡管段、長上坡管段。根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS193：2005）5.3.4 要求，在進排氣功能均需要時，閥門直徑宜取輸水管道直徑的 1/5～1/8。

空氣閥井在結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮空氣閥正常進排氣的需要，應設(shè)置通氣孔。由于工程所在地冬季寒冷且持續(xù)時間較長，通氣孔的設(shè)置會直接導致空氣閥井內(nèi)溫度的降低，當井內(nèi)溫度低于0℃時,空氣閥內(nèi)的水體會結(jié)冰，嚴重時會因凍脹破壞空氣閥引起漏水等事故。

本工程全線共設(shè)置空氣閥井577 座，通過設(shè)計計算，單根PCCP 管上多采用2 個～4 個DN200 的空氣閥組合使用。

3 方案比較

寒冷的北方地區(qū)，空氣閥井的保溫與通氣一直存在矛盾之處，為了保證工程安全，在此特對空氣閥井保溫與通氣進行深入探討。

3.1 傳統(tǒng)設(shè)計方案—木質(zhì)蓋板保溫

對于我國北方冬季嚴寒地區(qū)的空氣閥井保溫設(shè)計，在井蓋及踏步標準圖集S501 上提供了簡單的井蓋設(shè)計方案，其設(shè)計方案見圖1。

圖1 木質(zhì)蓋板剖面圖（單位尺寸：cm）

圖2 磚砌保溫井口

磚砌保溫井口見圖2，保溫井口設(shè)置木質(zhì)及鑄鐵雙層井蓋。木制保溫井蓋形如木制鍋蓋，為2 個半圓型木板平接，放置時中間留有約10 mm～20 mm 的傾斜縫隙作為氣流通道；井口蓋板均為鑄鐵帶孔蓋板。

上述空氣閥井的型式在城市道路上經(jīng)常可以看到，這種保溫方案對于輸水量相對較小、氣溫不太低，停水檢修時間短的地區(qū)一般可以適用。但對于位于荒郊野外的長距離大流量輸水管道來說，存在如下問題：

1）野外氣候要比城市內(nèi)的氣候惡劣得多，常年平均最低溫度也更低，通透的結(jié)構(gòu)（木質(zhì)蓋板傾斜孔隙及鑄鐵蓋板空洞）致使井內(nèi)熱量在低溫季節(jié)迅速散失，極易發(fā)生空氣閥被凍壞的事故，從而導致整條管線無法正常運行。

2）井蓋的孔隙均豎直向上暴露在空氣中，當雨雪等惡劣天氣又遇低溫時，孔隙極易被冰雪封堵，使空氣閥井室失去進排氣功能，從而使空氣閥失靈，導致管道無法正常使用。

3）本工程輸水管道直徑均在DN3200 以上，正常工作時需要的通氣量較大。根據(jù)不同空氣閥設(shè)置的位置，通過水力過渡過程計算，管道在正常和極端事故情況下所需的進排氣量約為每秒幾立方米至上百立方米，依靠上述木質(zhì)蓋板的縫隙和井蓋上的小孔根本無法滿足進排氣量的要求。

井室保溫需要盡可能的將井室密閉和絕熱，而通氣量又要求必須留有足夠大的通氣孔洞。這一矛盾依靠上述傳統(tǒng)的辦法已經(jīng)無法解決。

3.2 優(yōu)化設(shè)計方案—保溫膜片

基于傳統(tǒng)設(shè)計方案無法滿足本工程的實際需要，故在初步設(shè)計和招標階段采用了如下設(shè)計方案以滿足工程需要，空氣閥井方案圖見圖3。

圖3 空氣閥井方案圖

該設(shè)計從密閉和絕熱兩個方面的措施來滿足保溫要求。井蓋采用加厚混凝土密閉結(jié)構(gòu)，通氣孔采用深埋鋼管并在井內(nèi)出口處設(shè)置保溫呼吸器，內(nèi)置2 個的保溫膜片。保溫膜片的結(jié)構(gòu)如見圖4。

圖4 空氣閥井方案圖

保溫膜片的結(jié)構(gòu)是一對法蘭片間夾一組特種塑料片，塑料片按特定方向被分割成若干裂口，在需要通氣時塑料片可以被空氣吹開，在不通氣狀態(tài)能夠完全恢復原來形狀。該種塑料應在低溫下不硬化且有極好的彈性。

該方案的優(yōu)點是：井室較深且主管道在井內(nèi)外露，可以向井內(nèi)散發(fā)更多的熱量。頂蓋進人孔蓋板為封閉式（無通氣孔洞），通氣管進口采用保溫膜片，可以在無需通氣時密閉，只有通氣時才打開，避免了空氣對流散熱。

該方案的缺點是：由于市場上針對空氣閥井保溫的設(shè)備種類極少，相關(guān)設(shè)備在國內(nèi)研究和生產(chǎn)的幾乎空白，而該方案中最為重要的保溫膜片國內(nèi)無廠家生產(chǎn)，只有依靠進口。

3.3 推薦設(shè)計方案—保溫呼吸井蓋

經(jīng)過對國內(nèi)外大型輸水工程空氣閥井保溫措施的調(diào)研，首先提出了空氣閥井的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，該方案典型設(shè)計圖見圖5。

圖5 方案典型設(shè)計圖

該方案優(yōu)化的結(jié)果是，將原設(shè)計采用的“深井”方案改為“淺井”方案，即將管道穿過井壁變?yōu)榫贾迷诠艿郎戏降姆桨福坏?jié)省了大量鋼筋混凝土和踏板的工程量，也避免了管道穿墻處理的施工困難。上述方案中吊物孔為實心混凝土結(jié)構(gòu)，下層蓋板為木制貼苯板保溫結(jié)構(gòu)，吊物孔不具備通氣功能。

通氣利用專用的保溫呼吸井蓋，該種井蓋是隨著輸水工程對地下井室保溫的需求而出現(xiàn)的，是專用于空氣閥井保溫和通氣的設(shè)置。其結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 保溫呼吸井蓋結(jié)構(gòu)圖

該設(shè)備設(shè)有雙層2 組閥瓣，2 組閥瓣受彈簧和重力控制，在需要排氣時上、下閥瓣1 上升，需要吸氣時上、下閥瓣2 下降，不需排氣時，閥瓣均關(guān)閉。閥體和閥座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、閥瓣為鋼板外包保溫板。雙層結(jié)構(gòu)的閥瓣可以保證在不發(fā)生進排氣時沒有空氣對流，起到比保溫膜片更好的保溫效果。同時考慮到野外環(huán)境無人看守的客觀條件，要求保溫井蓋具備防盜功能，只有專用鑰匙才能開啟。

通過調(diào)查，阜新引白供水工程、康平電廠引水工程、沈陽石佛寺引水工程、新民市安全引水工程等的空氣閥井就采用了這種保溫井蓋，從2008 年通水至今，空氣閥井的保溫情況良好，從未發(fā)生空氣閥冰凍事故。

4 結(jié)論及建議

空氣閥作為供水工程不可缺少的附屬設(shè)備，在各種工程中被廣泛應用。文章對空氣閥井的各種保溫形式進行分析研究，結(jié)合其他同類型工程的運行經(jīng)驗，最終在工程中推薦保溫呼吸井蓋方案作為實施方案，可為該類工程的設(shè)計施工提供參考借鑒。