關于長距離重力流輸水管道管壓的選擇

張志剛

(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

南疆地區水資源時空分布不均，地表水資源量嚴重低于全國平均水平，區域性缺水尤為嚴重，是當地經濟社會發展的嚴重制約因素[1]。長距離跨流域輸水工程作為解決區域性缺水問題的重要手段，有效緩解干旱地區日益緊張的供需水矛盾[2]。文章以新疆克州烏恰縣引調水工程為例，對輸水管道的設計水壓如何選擇進行分析，為類似長距離調水項目提供思路，供廣大水利工程設計人員參考。

1 項目概況

烏恰縣工業園區作為當地經濟支柱，多年來受水資源限制發展緩慢。開展引調水工程不僅提高工業園區招商引資能力，推動烏恰縣經濟發展；對康蘇鎮、黑孜葦實現脫貧致富目標同樣具有積極影響。該工程為Ⅳ等小(1)型工程，管道全長為30.862km。采用重力流輸水方式，管線最大設計流量為0.41m3/s。輸水管線工程主要處于低山丘陵地貌單元，沿途橫穿河谷階地、基巖山區，山前沖洪積扇等多種地形，地形起伏較大。工程沿線大部分區域50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.4g，其相應的地震基本烈度為Ⅸ度，區域構造穩定性較差。整體來看，工程具有項目區地震烈度大、沿線地形變化大、總體落差大、輸水流量小、管道運行壓力大的特點。

2 工程管線總體布置

該工程起點位于康蘇水庫灌溉供水洞出口供水池，設計水位高程2481.0m，末端為烏恰縣水廠已建沉淀前池。該沉淀池設計水位高程2260.5m。管線起始落差218.47m，最大落差346.76m。管線全段采用重力流輸水方式，為滿足功能性及安全性需要，共設置附屬建筑物214座，其中條形沉砂池(穩壓水池)、穩壓水池、減壓水池各一座。

1)起點(樁號0+000)——條形沉砂池(穩壓水池) (樁號1+708)段；

2)穩壓水池(樁號1+708)——減壓水池(樁號4+190)段；

3)減壓水池(樁號4+190)——烏恰縣水廠末端(樁號30+862)段。

圖1 工程總平面布置示意圖

3 管道壓力的選擇

該工程所處區域地形變化復雜，局部水頭損失量巨大。作為長距離輸水管線，確保管道內合理壓力是線路安全的重要保證。局部負壓的產生，極易造成管道內氣蝕、斷流水錘的發生，長期積氣運行，不僅影響管道運行安全，更會引發管道供水能力不足的問題。因此，對管道沿線自由水頭、水壓線標高及靜水壓力線的計算顯得尤為重要。

1)管道沿線的自由水頭計算，采用各管段起點最低水位計算，結合沿線設計管中心高程、各段之間的水頭損失，計算各點的自由水頭及水壓線標高，即：

A:水壓線標高=設計管中心高程+動水壓力(自由水頭)

B:動水壓力(自由水頭)=上一個節點的水壓線標高-計算點的設計管中心高程-與上節點之間的水頭損失。

2)最大靜水壓力：按上述工況結果分析，管道起點采用穩壓水池的正常蓄水位起算，計算結果需滿足設計擬定的輸水要求。

表1 管線關鍵節點自由水頭和水壓線標高計算表

4 管道水錘壓力

在壓力管道中因流速劇烈變化，從而在管路中產生一系列的壓力交替變化的水力撞擊現象稱為水錘現象。因流速變化而產生的壓力變化，其傳遞形式是通過機械波的形式傳遞的。

根據水擊波傳播速度公式：

(1)

式中：C為均質圓形管(e/d<1/20)水擊波傳播速度，m/s；d為管徑，m；e為管壁厚度，m；K為水的體積彈性模量，kN/m2；E為管材縱向彈性模量，kN/m2。

水擊相時計算公式為：

(2)

式中：Tt為水擊相時，s；L為計算管段長度，m。

水擊水頭計算如下：

1)直接水擊壓力水頭

(3)

式中：Hd為直接水擊水頭，m；V0為閥門前的水流速度，m/s。

2)間接水擊水頭

用間接水擊壓力公式計算間接水錘壓力，公式如下：

(4)

式中：Hi為間接水擊水頭，m；Tg為關閉閥門時間，s。

1)靜壓模擬

在進行穩態分析之前需進行靜壓分析，校核管線設計承壓能力是否滿足要求。即各水池水位達到設計值時，關閉各管線末端控制閥，使管線充滿水，分析管線承受的靜壓，全線靜水壓力均在承壓范圍內，設計承壓能力滿足要求。工程靜壓分析如圖2所示。

圖2 靜壓分析圖

2)穩態模擬

當管道糙率n=0.012時，管道水頭損失最大，以此作為穩態最不利工況進行分析，結果如圖3所示。

圖3 穩態壓力分布圖

管線工作壓力(自由水頭)小于管線設計承壓能力，當流量較小時，管線工作壓力會更高，極限工作壓力是靜壓，由靜壓圖分析可知，全線靜壓均在設計承壓范圍內，因此設計承壓滿足要求。

結合工程為有壓重力流的輸水方式，依據規范對管道運行水錘壓力的控制，工程管線總體布置分為了三大段，在運行過程中水錘壓力一般發生在管道沿線的減壓閥、閘閥等設備啟閉時。根據本工程特點，每一段發生最大水錘壓力均在管線末端，按這個設計思路考慮，末端水錘壓力按(0.3-0.5)Pw和0.5MPa兩者取大值來控制即可滿足管道正常運行壓力的需要。

工程全線為有壓重力流輸水，未發生水錘的工況下，取靜水壓力為設計工作壓力。由于小流量充水或靜水時，管道流速較低，通過閥門控制，產生的水錘壓力相對較小；正常工作時，通過水力控制措施，可有效降低水錘壓力，因此，取(工作壓力+0.5MPa，工作壓力×(1.3-1.5)MPa)兩者大值作為管道的公稱壓力，同時結合水力學計算和水錘防護數值模擬計算結果，采用有效的水力措施控制水錘壓力在公稱壓力范圍之內，最終確定各管段管道壓力值。具體管道壓力值見表2所示。

圖4 烏恰縣康蘇水庫引調水工程縱斷面圖(樁號0+000-30+862)

表2 輸水管道管材及壓力等級選用表

5 結 論

長距離輸水管線工程設計工程壓力的選擇作為一個供水項目的重中之重，也是供水項目的核心內容。不合理的管道壓力極其容易造成項目管壓浪費，從而造成項目投資的增加。在工程運行階段出現爆管等安全事故，嚴重影響管線的安全運行。通過有壓流水力過渡過程分析、水錘影響分析，為輸水管線管材、管壓選擇提供理論支持，有效避免爆管等安全問題的發生，提高工程的經濟效益。