湯峪二原子自壓噴灌工程支管破裂原因探索與對策

張水英，張 力

（1.藍(lán)田縣水利建筑工程隊，陜西 藍(lán)田 710500；2.藍(lán)田縣河道管理處，陜西 藍(lán)田 710500）

1 基本情況

湯峪二原子自壓噴灌工程，位于藍(lán)田縣城西南25 km的湯峪水庫灌區(qū)。它以湯峪水庫八里塬干渠為引用水源，利用八里塬地形自然落差產(chǎn)生壓力，經(jīng)主、干、支三級管網(wǎng)實施對湯峪鎮(zhèn)的高堡、湯莊、石佛寺、薛廟、張坡、馬園等六個行政村119 hm2耕地噴灑灌溉。

灌區(qū)呈長方形，南北長2800 m，東西寬平均500 m，西南高、東北低，自然坡度變化在1.6%～1.8%，自然落差優(yōu)勢明顯。灌區(qū)工作壓力均在0.35 MPa以上，分中壓區(qū)和高壓區(qū)，中壓區(qū)灌溉面積為27 hm2，高壓區(qū)灌溉面積為87 hm2。

噴灌工程由引水部分、管道系統(tǒng)、噴頭豎管三大部分組成。引水部分設(shè)由進(jìn)水閘、前池、攔污柵、排砂道、排氣孔組成。管道系統(tǒng)采用主、干、支三級管道全固定式，主干管一條，垂直塬面走向自西向東，埋設(shè)直徑為300 mm的自應(yīng)力鋼筋混凝土管488 m；干管三條，垂直主干由南向北平行布設(shè)，一干總長為2085 m，埋設(shè)直徑為200 mm自應(yīng)力鋼筋混凝土管，二干總長2500 m，埋設(shè)直徑為200 mm自應(yīng)力鋼筋混凝土管，三干總長為2630 m，埋設(shè)直徑為189 mm石棉水泥管；一干二干間距120 m，二干三干間距180 m。支管垂直與干管兩側(cè)埋設(shè)，其中直徑為50 mm高壓聚乙烯管120條；直徑為100 mm石棉水泥管30條；支管間距，中壓區(qū)為45 m左右，高壓區(qū)為50 m～56 m。支管上布設(shè)噴頭供水豎管，呈三角形排列，其縱向間距為1.75 R（R=50 mm），橫向間距為1.5 R(R=50 mm)，中壓區(qū)選用PY-30型噴頭，單噴控制面積0.20 hm2；高壓區(qū)選用PY-50型噴頭，單噴控制面積0.38 hm2。為了調(diào)節(jié)控制壓力，在各干管1000 m處，裝設(shè)調(diào)壓閘3個，各干管道尾部安裝排水閘閥3個，排放管道積水、沖刷管內(nèi)淤積。

湯峪噴灌工程從1979年3月開工，1980年3月建成投運。充分利用地形落差，無需動力，高效低耗，節(jié)水省工，增產(chǎn)增收，特別是建成初期其增產(chǎn)效果明顯，但運行中支管破裂時有發(fā)生，且一條支管出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)無法工作，雖經(jīng)多次修復(fù)，效果甚微，難于正常發(fā)揮效益。

2 支管破裂事故初探

在省、市財政、水利部門的支持下，湯峪噴灌修復(fù)列入灌區(qū)改造項目并予以實施。

走訪有關(guān)人員，查閱資料，查看工地現(xiàn)場，對支管破裂，影響及效益發(fā)揮進(jìn)行綜合分析認(rèn)為：原設(shè)計一條干管只有一個控制，在灌溉季節(jié)，一條支管工作，其干管上的所有支管全部充水，在整個灌溉運行期間長期承壓，支管工作交換期間，各支管受壓狀況變化異常，受壓區(qū)運行非常時，低壓區(qū)容易出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，加之支管管材制造粗糙，管壁薄厚不一，施工人員經(jīng)驗不足，三通聚乙烯管焊接不夠牢固，支管破裂再所難免，且一條支管發(fā)生故障，其泄壓、泄流，使整個系統(tǒng)無法工作。因此，選用材質(zhì)優(yōu)良，工作壓力滿足要求的支管管材，改建支管節(jié)制系統(tǒng)，是解決湯峪噴灌正常運行的關(guān)鍵。

3 支管節(jié)制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 支管現(xiàn)狀

圖1 原設(shè)計支管與干管連接形式

湯峪噴灌原布設(shè)連接辦法是利用一種自制的三通或四通，連通干管與支管，地面以下平直段支管為聚乙烯管，垂直段以鋼管伸出地面，堵頭封口，在灌溉時，干管與支管均充水受壓，噴灌時開啟堵頭，裝上閘閥，連接豎管帶噴頭即可運行。

3.2 支管節(jié)制方案的選擇

在每條支管上加裝控制閘閥見圖2，支管工作時開啟，不工作時關(guān)閉，其優(yōu)點是支管工作獨立性強(qiáng)，避免了一條支管出現(xiàn)破裂泄壓泄流而影響整個系統(tǒng)。缺點是閘閥工作坑多，占地多，坑內(nèi)積水，淤泥不可避免，特別冬季操作困難，且維修工作量大。

圖2 a方案示意圖

將干管兩側(cè)支管連通，經(jīng)三通伸出地面后以法蘭蓋板封堵，與干管連通伸出地面用堵頭堵封見圖3。運行時，打開兩管堵封，用帶閘閥及法蘭的公用件連接，閘閥開啟支管充水受壓，閘閥關(guān)閉，支管無水無壓。其優(yōu)點是支管獨立工作，不受系統(tǒng)影響及影響系統(tǒng)，運行操作方便，但管路局部水頭損失增大。

圖3 b方案示意圖

a、b方案均為有支管獨立工作的優(yōu)點，但b方案運行操作方便，不占地，故選b方案為支管節(jié)制方案。

3.3 支管節(jié)制系統(tǒng)的設(shè)計

3.3.1 支管管材選擇

在認(rèn)真分析支管破裂故障原因的基礎(chǔ)上，本次工程支管選用φ50PVC-U管材，經(jīng)濟(jì)實用、耐腐蝕性強(qiáng)，工作壓力確定為0.8 MPa。

3.3.2 干支管連接管材選擇

連接段應(yīng)滿足：堅固、耐老化，易拆卸安裝，操作方便，工作壓力在0.8 MPa以上，故選用φ50鍍鋅鋼管及管件較為適宜。

3.4 連接段對噴頭工作壓力的影響

采用b方案對湯峪水庫噴灌支管節(jié)制控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加了管道附件，加大了局部損失，故對管道的水力情況進(jìn)行重新計算。

圖4 支管系統(tǒng)布置形式

（1）噴頭工作性能

表1 噴頭工作性能表

（2）總干、干管水力計算

總干及干管水力計算：

式中：h管道沿程損失水頭，m；n為糙率，采用0.014；Q為管道設(shè)計流量，m3/s；d為管道內(nèi)徑，m；L為管道計算長度，m。

為了簡化計算，管道局部損失按沿程損失的10%計。計算結(jié)果見表2。

表2 管道水頭損失及工作壓力計算表

（3）支管水頭損失計算

支管為PVC-U管材，內(nèi)徑50 mm，水頭損失計算采用哈森-威廉斯公式。

式中:當(dāng)塑料管 C=150、d=50 mm 時，KH=5.68×10-4；L=85 m。

計算成果見表3。

表3 支管水頭損失計算表

（4）增加通用連接件的水頭損失計算

采用加設(shè)通用聯(lián)接件后，增大了局部水頭損失，主要是:90°彎頭 2 件，ξ=0.25×2=0.5；閘閥 1 件，ξ=0.2；分流三通 1 件，ξ=0.5。

計算成果見表4。

表4 增加通用連接件的水頭損失計算表

根據(jù)以上計算成果，一支管首段所需壓力水頭按下式計算：

式中：H支首為支管首端所需壓力水頭，m；H頭為噴頭工作壓力水頭，m；H損為支管水頭損失，m；H接損為聯(lián)接件水頭損失，m；H豎為豎管高度，1.5 m。

故：中壓區(qū)H支首=30+2.52+0.35+1.5=34.37 m；高壓區(qū)H支首=40+15.45+0.63+1.5=57.58 m。與干管最小工作壓力，中壓區(qū)0.362 MPa，高壓區(qū)0.587 MPa比較，完全可以滿足噴頭工作壓力要求。

4 管道調(diào)壓及支管節(jié)制的效果

修復(fù)工程竣工后，經(jīng)過近年來灌溉運行，灌區(qū)群眾及噴灌站運行管理人員普遍反映良好。

支管破裂未見發(fā)生，管理調(diào)壓及支管節(jié)制使干管單元更趨合理，支管單元獨立運作，避免了部分管路運行、其余管路充水受壓的情況，提高了管道使用壽命，減少了故障點的影響范圍。管道壓力穩(wěn)定，噴頭工作壓力滿足、射程、霧化良好，效益發(fā)揮正常。

5 建議

1）灌前管道充水時，應(yīng)分級按總干、干、支順序逐漸進(jìn)行，緩緩開啟閘門，使管道慢慢充水，在干管充水時每隔一定距離，先將放水豎管閥門打開，待放水豎管出水時，再由下往上逐個關(guān)閉，以排除管內(nèi)空氣，避免灌溉時引起管子的震動和水擊，損壞管道。

2）開始灌水時，緩緩開啟放水閘，并逐個開啟噴頭，禁止同時突然開動所有噴頭，以防管中出現(xiàn)負(fù)壓，損壞管道。

3）停止灌水時，也有緩緩關(guān)閉放水閘，并禁止同時突然關(guān)閉所有噴頭，以防出現(xiàn)水擊。

4）灌溉季節(jié)中，固定管道不必放空，可使其經(jīng)常保持充水狀態(tài)，灌溉季節(jié)結(jié)束后、封凍前，應(yīng)及時放空管道，以防凍裂。

5）要科學(xué)設(shè)計灌溉運行程序，合理控制噴頭開啟運行數(shù)量，盡可能安排上、中、下三區(qū)同時用水，減少管路輸水損失，提高噴灌效果。