永泰川灌溉引水工程輸水管線設計要點

張興平

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

大口徑、長距離、高水頭輸水項目是一個比較龐大的系統(tǒng)工程，必須在項目開始的設計階段對整體線路進行合理、精細的設計，以滿足項目實施安全運行，其中涉及管材選取、水力計算、水錘分析、閥門布置等內(nèi)容。本文以永泰川灌溉引水工程為例，淺談大口徑長距離高水頭管道設計應注意的幾個事項。

1 工程概況

永泰川灌溉引水工程位于甘肅省景泰縣寺灘鄉(xiāng)境內(nèi)，工程主要任務是從引大東二干渠末端取水，通過新建輸水骨干工程，向景泰縣寺灘鄉(xiāng)永泰川規(guī)劃發(fā)展的13.84 萬畝土地提供灌溉用水，工程年供水量3000 萬m3。工程分為上段—新建干渠段、中段—英武水庫輸水渠利用段，下段—新建干管段，見圖1。其中新建干管段是大口徑、長距離、高水頭輸水項目，是本文進行重點闡述的內(nèi)容。

圖1 工程總平面布置圖

新建干管段起點位于英武水庫輸水渠21#隧洞出口，新建輸水干管線路經(jīng)過低中山丘陵區(qū)、山間盆地及溝谷區(qū)和山前洪積傾斜平原區(qū)，地面高程2117 m～1832 m～2030 m～1975 m，最大起伏287 m，總體線路呈“V”字形倒虹吸型式。管道埋地敷設，管線總長38.7 km，設計輸水流量為2.8 m3/s，管徑DN1400 mm～1200 mm，管材采用涂塑復合鋼管和球墨鑄鐵管，輸水方式為壓重力流輸水[1]。

2 管道設計

2.1 管材選擇

2.1.1 管材技術經(jīng)濟比選

輸水管道管材的選擇對控制工程投資和工程后期的運行、管理至關重要，管材選用時除考慮工程造價外，還需考慮承壓能力、施工難度等因素。本工程管材選擇使用金屬管，即球墨鑄鐵管和鋼管，具體根據(jù)沿線壓力等級選擇，2.0 MPa 以下公稱壓力等級范圍內(nèi)采用球墨鑄鐵管，2.0 MPa～4.0 MPa 公稱壓力等級范圍間采用涂塑復合鋼管。

2.1.2 高壓區(qū)鋼管型號優(yōu)化

制造輸水用鋼管的鋼板型號一般選用Q235C（普通碳素鋼），這種型號的鋼材強度高，韌性好，易加工。但本工程設計內(nèi)水壓力最高達4.0 MPa，高壓力區(qū)管材設計選用鋼管，鋼板型號選擇為低合金Q345C，其強度更高，可明顯減少鋼管壁厚，節(jié)省投資。

2.1.3 鋼管防腐蝕設計

鋼管在大口徑高水頭長距離輸水工程中使用最廣泛，但易生銹腐蝕是其主要缺點，為延長其使用壽命，內(nèi)外壁需做除銹和防腐處理。我國管道防腐材料隨時間發(fā)展出現(xiàn)了石油瀝青、煤焦油瓷漆、環(huán)氧瀝青，再發(fā)展到目前的聚乙烯包覆涂層。

我國輸水工程中有些管道仍然還大量采用環(huán)氧煤瀝青，甚至瀝青防腐，對防腐的重視不夠，對新防腐材料的認知也還不足。輸水管道外防腐質量影響著管道運行可靠和壽命，三層PE和單層環(huán)氧樹脂（FBE）防腐是大管徑輸水管道防腐的最佳選擇[2]。本工程鋼管外防腐選擇三層PE，內(nèi)防腐選用熔結環(huán)氧粉末涂層。

2.2 閥門設計

為了保證工程輸水管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行，滿足輸水管線的控流、分流、斷流、測流及檢修要求，需在輸水管線上設置調(diào)節(jié)閥、檢修閥、放空閥、空氣閥和水力監(jiān)測設備等水力機械設備，設備選擇應按結構簡單，運行檢修維護方便，安全可靠，經(jīng)濟合理的原則。

（1）本工程輸水干管總體線路呈“V”型倒虹吸布置，事故工況下壓力波動引起的水錘會直接體現(xiàn)在“V”型管段的最低點，在谷底設置直接作用式水錘泄放閥以釋放事故工況時的高壓水錘。主干平壓池前調(diào)節(jié)閥在開關閥過程中的壓力波動較大，故在此處增設直接作用式水錘泄放閥[3]。

（2）在輸水干管次高點平壓池前和各分水口分水管末端設置調(diào)流調(diào)壓閥。為避開閥門氣蝕區(qū)域，提高輸水安全控制，調(diào)流調(diào)壓閥的設置采用并聯(lián)方式，主閥旁設置小口徑調(diào)流調(diào)壓閥一臺，兼做事故備用。正常工況運行時大閥單獨工作，小閥停用；充水、主閥事故停用時開啟小閥，或主閥操作不當造成閥前管道壓力超過設定安全壓力時，小閥可自動打開起到安全泄壓作用。

（3）在每段管道進水口位置設置一個檢修閥，用于整條輸水管線的進水控制和設備檢修，此閥側設置一個旁通閥，在管道初次充水或檢修后管道補水時打開此閥對管道充水。

（4）輸水管道中設置分段檢修閥，需要對某段管道進行檢修時，把此段管道用檢修閥隔斷，減少水量浪費，并保證其他部分管道依然充滿水，利于檢修后快速投入運行。本次設計隔斷閥門間距為5 km 左右。

（5）在輸水管道檢修閥間的低洼處設置有放空閥。

（6）為保證管道內(nèi)的進排氣，以維持管線壓力在安全運行范圍內(nèi)，管線中布置了復合式空氣閥。

2.3 平壓池

為控制管線次高點（樁號33+390 m，高程2030 m）之后的管道壓力，防止超設計范圍的壓力出現(xiàn)，在樁號33+390 處設置平壓池1 座（設計總容積2400 m3，有效容積1500 m3）。在平壓池內(nèi)設置放空管，當后段的輸水管道發(fā)生事故時，平壓池還可做為事故泄水通道，使事故的影響范圍限制在平壓池段范圍，保證輸水安全。

2.4 水力計算

管道的水頭損失計算包括沿程水頭損失和局部水頭損失。

（1）沿程水頭損失

達西- 魏斯巴哈公式按下式計算：

式中：hf為沿程水頭損失，m；L 為計算管段的長度，m；d 為管道的內(nèi)徑，m；v 為管道過水斷面平均流速；λ 為沿程水頭損失系數(shù)。

海曾威廉按下列公式進行計算：

式中：hj為沿程水頭損失，m；L 為計算管段的長度，m；i 為單位管長沿程水頭損失，m；C 為海曾威廉系數(shù)；Q 為管段流量，m3/s；d 為管段內(nèi)徑，m。

達西公式和海曾- 威廉公式均可用于沿程水頭損失的計算，對兩公式的計算結果進行對比分析。

表2 水頭損失計算比較表

由表1 可知，兩公式計算結果基本相同，其中海曾- 威廉公式計算的水頭損失略大于謝才公式計算值；另外考慮到海曾- 威廉公式更適用于光滑的滿管流計算，而謝才公式更適用于明渠或明管流的工況，本次設計計算采用海曾威廉公式計算水頭損失的計算。

（2）局部水頭損失

根據(jù)經(jīng)驗，室外給水管網(wǎng)中的局部水頭損失一般不超過沿程水頭損失的10%～15%，因與沿程水頭損失相比很小，因此在管網(wǎng)水力計算中，可按此比例計入總水頭損失，工程區(qū)線路較平順，本次計算取10%。

（3）計算管徑取用注意事項

長距離輸水管道由于輸送距離長，沿程水頭損失的誤差的累計將可能導致水頭壓力不足，出現(xiàn)嚴重后果[4]。因此減小沿程水力計算的誤差是優(yōu)化設計的重要內(nèi)容，為保證水力計算的誤差能控制在合理范圍內(nèi)，長距離輸水管道設計時，計算應注意以下兩個問題。

①管道公稱直徑與實際直徑的差別

應避免采用公稱直徑進行計算，設計確定管徑后，按管道實際直徑選用。

②內(nèi)防腐層的材料和厚度

管道內(nèi)防腐采用水泥砂漿內(nèi)襯應考慮內(nèi)襯層厚度的影響；采用熔結環(huán)氧粉末等高分子材料，由于涂層厚度一般小于1 mm，可忽略不計，但管內(nèi)壁涂裝后的粗糙系數(shù)則應根據(jù)廠家數(shù)據(jù)、試驗以及類似工程的經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析采用。

2.5 水錘分析

本工程新建輸水管線壓力高，輸水流量變幅大，特別是部分管段由于地形原因管線布置起伏較大，系統(tǒng)輸水流量的合理分配和輸水過程中的安全控制是本次計算任務的重點。

本工程屬于長距離高水頭重力有壓輸水線路，由于地形變化，造成管線高低起伏，用水過程中發(fā)生用戶開關閥、流量調(diào)節(jié)、充水和放空等工況時，會引起管道振蕩，如果關閉時間不合適，就容易引起水錘危害。

樁號0+000～33+435 段為“V”型倒虹吸布置，“V”形管線谷低樁號19+732，最大落差289 m，對管線的安全運行和水錘防護要求高，斷流空腔容易出現(xiàn)在管道谷低這個位置。水錘的發(fā)生，很可能發(fā)生爆管事故，對工程的安全運行以及社會影響將造成難以估量的損失。水錘危害很大，輸水管線設計中必須考慮水錘保護措施，重點是斷流彌合水錘保護。

輸水系統(tǒng)干管設計流量為2.8 m3/s，經(jīng)過水力過渡過程仿真計算，平壓池前調(diào)節(jié)閥門和1 號調(diào)蓄水庫前調(diào)節(jié)閥門歷時400 s 關閥，其他支管同時歷時400 s 關閥，最大壓力出現(xiàn)在19+732 處，為3100.9 kPa，最小壓力出現(xiàn)在1 分水口處，為31.3 kPa。平壓池容積由866 m3升至1049 m3，小于有效容積1500 m3。

圖2 關閥最大壓力與承壓線圖

由圖2 可知，最大壓力未超過靜止壓強的1.2 倍，并小于承壓線。平壓池容積也未發(fā)生拉空或溢流現(xiàn)象，故歷時400 s關閥安全。

3 結論及建議

本次大口徑長距離高水頭輸水工程中，主要從以下四個方面優(yōu)化完善設計，保障工程安全運行。

（1）管道高壓力區(qū)（公稱壓力2.0 MPa～4.0 MPa）采用鋼管，鋼材型號選用Q345C。鋼管外防腐選擇三層PE，內(nèi)防腐選用熔結環(huán)氧粉末涂層。

（2）在輸水干管“V”型谷底設置直接作用式水錘泄放閥以釋放事故工況時的高壓水錘。

（3）在新建干管管線次高點（樁號33+390 m，高程2030 m）設置一座平壓池，用以降低平壓池之后的管道壓力，防止超設計范圍的壓力出現(xiàn)，同時作為管道發(fā)生事故時的泄水通道之用。

（4）經(jīng)過水力過渡過程仿真計算，平壓池前調(diào)節(jié)閥門和1號調(diào)蓄水庫前調(diào)節(jié)閥門歷時400 s 關閥，工程運行安全。