神東礦區輸水系統設計與水錘防護研究

摘 要：神東礦區輸水工程設計最高日取水量3.65萬m3/d，輸水管線總長48 070 m，輸水方式采用重力流和兩級加壓長距離輸水方式。本工程對輸水系統進行了詳細的水力計算，確定了水泵揚程及管材管徑。利用分析軟件，對系統的水錘進行了分析，并提出了“多功能水泵控制+壓力波動預止閥+防水錘空氣閥”的可靠水錘防護措施。同時，在系統重要節點處設置電動活塞式調流閥，聯合水泵變頻器對輸水系統中各個節點的流量進行平衡和調節。

關鍵詞：長距離輸水；重力流；壓力流；水錘防護；流量調節

中圖分類號：TU991.3

通信作者：王向舉（1978-），男，高級工程師，主要從事水處理工作，E-mail：85625266@qq.com。

目前，神東煤炭大柳塔區域及大柳塔中心鎮區的主要飲用水源為煤礦井下涌水及烏蘭木倫河滲渠，受礦井水自身特性以及煤礦井下作業的影響，礦井水中氟化物、硫酸鹽含量高，乳化液和石油類物質污染問題嚴重。烏蘭木倫河上游多處設橡膠壩蓄水，區域內滲渠水量小且水質差。礦區內居民及職工飲用水安全問題突出，健康風險很大。因此，必須調入新水源，以解決神東煤炭集團大柳塔區域職工和大柳塔中心鎮區的居民飲用水問題。

神東中心礦區供水工程引入府谷天橋巖溶地下水，在府谷至神木紅柳林DN1200供水主管道窟野河倒虹管出口處開口取水，設計最高日取水量3.65萬m3/d，設計水平年2030年。取水口設取水閥室1座，利用DN1200主管分水口處壓力水頭，來水首先經有壓重力流輸送至燕家塔一級加壓泵站，經加壓后輸送至雙溝岔二級加壓泵站，然后經二級加壓后輸送至活雞兔蓄水池及大柳塔蓄水池，最終接入現有供水管網。本工程為新引入水源，現狀水源可作為應急備用水源，因此采用單管輸水。輸水管線總長48 070 m，主體管材為K9級球墨鑄鐵管。設置取水閥室1座，加壓泵站2座，10 000 m3蓄水池2座，沿途設3處分水口。

1 輸水工程系統設計

1.1 設計水量

工程設計最高日取水量3.65萬m3/d，其中神東煤炭集團大柳塔區域設計供水量為1.31萬m3/d、大柳塔中心鎮區設計供水量為1.65萬m3/d、1#預留分水口供水量為0.34萬m3/d、2#預留分水口供水量為0.19萬m3/d、孫家岔預留分水口供水量為0.16萬m3/d、神東煤炭上灣、補連塔區域臨時供水量1.03萬m3/d。

活雞兔支線除了供給神東煤炭大柳塔區域內的職工生活用水外，近期還需為神東煤炭上灣、補連塔區域進行臨時供水，總供水量2.34萬m3/d，遠期神東煤炭大柳塔區域總供水量為1.31萬m3/d。大柳塔支線為大柳塔中心鎮區居民生活供水，遠期設計水量1.65萬m3/d，近期不足部分水量由現狀大柳塔鎮凈水廠補充。

1.2 系統布局

輸水管線自府谷至神木紅柳林DN1200供水主管道窟野河倒虹管出口處起，整體沿烏蘭木倫河右岸河堤內或階地敷設，局部沿左岸敷設，期間穿河3次。輸水管線總長48 070 m，輸水方式為重力流、壓力流混合式。輸水管道主體分為兩部分：

（1）取水口至一級泵站段管道總長16" 500" m，DN1200主管分水口處設計壓力0.64 MPa，設計自由水頭為1 028 m（主管道運營單位提供的最不利參數），一級泵站吸水井最高液位為1 011.40 m（最低液位1 008.85 m），最小可利用水頭16.6 m，該段采用重力流輸水。

（2）一級泵站至終點處大柳塔蓄水池管道總長30 345 m，大柳塔蓄水池最高液位1 189.25 m，與一級泵站吸水井最低液位凈高差為180.43 m，考慮到輸水系統安全及管材承壓等因素，該段采用兩級加壓輸水，控制管道工作壓力不大于1.6 MPa。輸水系統流量分配及控制節點參數如圖1所示。

1.3 輸水系統設計計算

輸水管道水力計算參照《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）[1]，沿程水頭損失按海曾-威廉公式計算（球墨鑄鐵管Ch=120，普通鋼管Ch=100）。長輸管道較為平直段局部水頭損失按沿程水頭損失的10%確定，走向復雜的短支線段局部水頭損失按規范公式詳細計算。水力計算采用分段方式進行，具體計算結果見表1。

（1）取水口至一級泵站（K0+000～K16+500）：分水口處最小壓力0.64 MPa，設計自由水頭為1 028 m，一級泵站吸水井最高液位為1 011.40 m，最小可利用水頭差Δh=1 028-1 011.4=16.6 m。該段管道總長度16 500 m，總水頭損失為13.73 m＜16.60 m，故原水可重力流進入一級泵站。

（2）一級泵站至二級泵站（K16+500～K38+500）：總長度為22 000 m，總水頭損失hz=41.80 m。

（3）二級泵站至活雞兔、大柳塔蓄水池分水點（K38+500～K43+185）：總長度為4 685 m，總水頭損失hz=7.12 m。

（4）大柳塔蓄水池支線（K43+185～KD46+845）：管道長度3 660 m，總水頭損失hz=9.70 m。

（5）活雞兔蓄水池支線（K43+185～KH44+410）：管道長度1 225 m，總水頭損失hz=5.74 m。

1.4 加壓泵揚程確定

（1）一級加壓泵站：揚程H1=H0+hz=（1 094.75-1 008.85）+41.80=127.70 m。選擇3臺單級雙吸臥式離心泵，2用1備。單泵參數Q=765 m3/h，H=140 m，N=500 kW，配套10 kV全變頻高壓電機，自灌式安裝。

（2）二級加壓泵站：揚程H2=H0+hz=（1 189.25-1 092.20）+7.12+9.70=113.87 m。選擇3臺單級雙吸臥式離心泵，2用1備。單泵參數Q=630 m3/h，H=125 m，N=400 kW，配套10 kV全變頻高壓電機，自灌式安裝。

1.5 管材選擇

針對本工程可選的管材有球墨鑄鐵管、預應力鋼筒砼管、鋼管等，這些管材各有優缺點。從管材本身性能分析，球墨鑄鐵管具有耐久性強、承擔壓力高、安裝方便等優點，同時具備鋼管優點，避免了鋼管易腐蝕的缺點。綜合考慮工期、運行安全及投資合理等因素，主體管道采用K9級球墨鑄鐵管，最大承壓能力4.0 MPa。輸水系統工作壓力為0.65～1.4 MPa，設計壓力2.5 MPa。K9級球墨鑄鐵管可滿足全線管道壓力要求。在局部地形復雜段和穿越段轉換為鋼管，如穿越公路處，采用外套混凝土套管頂管施工。坡度較大、彎頭較多處采用鋼管，以方便施工。

球墨鑄鐵管采用管內水泥砂漿內襯和管外噴鋅+瀝青終飾層防腐形式。鋼管采用TPEP涂塑復合鋼管，內防腐為熱熔結環氧粉末涂層，外防腐為三層聚乙烯防腐涂層（3PE結構）。

2 輸水系統安全防護

2.1 水錘分析及防護

在壓力管道系統中，因水泵的啟停、開閥關閥速度過快，都會引發水錘。特別是突然停泵引起的水錘，導致水泵反轉，使泵前及管道局部壓力驟增，破壞管道、水泵及閥門。同時會在管道高點處形成斷流彌合水錘，對管道造成嚴重破壞。本工程采用PIPE 2000軟件對供水系統的水錘進行分析計算，水錘防護參照《泵站設計規范》（GB 50265—2010）[2]相關要求：（1）離心泵最高反轉速度不應超過額定轉速的1.2倍，超過額定轉速的持續時間不應超過2 min；（2）立式機組在低于額定轉速40%的持續運行時間不應超過2 min；（3）最高壓力不應超過水泵出口額定壓力的1.3～1.5倍；（4）管道任何部位不應出現水柱斷裂。

2.1.1 重力流段（K0+000～K16+500）

取水口K0+000至一級泵站K16+500段管道管徑為DN900/800，設計流速v=0.66～0.84 m/s，末端剩余水頭2.87 m，管道設計壓力1.6 MPa。根據圖2可知，在恒定流狀態下該段管道工作壓力為0.64 MPa。該段管道流速較低，壓力小，參考以往工程案例，可在沿途高點及平直段每隔500～1 000 m設置普通DN100口徑復合式自動進排氣閥。在實際運行中，控制末端DN800的電動活塞式調流閥（一級泵站吸水井進水管安裝）關閉時間≥400 s即可，無須特殊水錘防護。

2.1.2 壓力流段（K16+500～K46+845）

壓力流段采用兩級加壓，一級泵站K16+500至二級泵站K38+500管道總長22 000 m，一級泵站水泵揚程為140 m，該段壓力管道距離最長，水泵揚程最高，作為典型“高揚程長距離輸水段”進行水錘分析與防護研究。二級泵站K38+500至大柳塔高位水池K46+845段采取相同的防護措施，以確保系統安全穩定。

（1）一級泵站（K16+500）至二級泵站（K38+500）瞬變流無保護工況。一級泵站水泵出口為普通快關式止回閥，管道沿線安裝普通排氣閥。一級泵站水泵揚程140 m，恒定流狀態下系統最大設計工作壓力為1.4 MPa。

當水泵突然全停時，止回閥速閉，系統高低壓力包絡線如圖3所示，泵站出水管處壓力波動過程曲線如圖4所示。由此可知，泵后止回閥處壓力波動震蕩劇烈，最大升壓達到2.5 MPa，系統部分管道壓力超過最大設計工作壓力的1.3～1.5倍，停泵水錘嚴重危害系統安全，需采取可靠的水錘防護措施。

（2）瞬變流有保護工況。結合本工程具體情況，一級泵站及該段壓力管道采取“多功能水泵控制+壓力波動預止閥+防水錘空氣閥”防水錘措施。在泵站每臺水泵出水管設多功能水泵控制閥，出水DN700總管處設置2臺DN200壓力波動預止閥，開啟壓力設定為1.6 MPa，管道沿線按《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）要求布置DN100的防水錘型空氣閥。經采取水錘防護措施后，系統高低壓力包絡線如圖5所示，泵站出水管處壓力波動過程曲線如圖6所示。

由圖5和圖6可知，在采取“多功能傳承控制+壓力波動預止閥+防水錘空氣閥”防水錘措施后，系統突然停泵時最高壓力包絡線顯著下降，輸水管道全線壓力小于1.6 Mpa。同時，水泵出水口處壓力波動減緩，在停泵100 s時，水泵出水口的壓力達到最高峰值，接近1.6 MPa，后續峰值壓力逐漸下降。以上數據結果表明，本工程采用的防水錘措施滿足水錘防護設計目標及要求，輸水系統防水錘效果明顯。

2.2 管道穿河防護和連接處防護

本工程全線管道3次橫穿烏蘭木倫河，根據防洪評價要求，管道需埋設在沖刷線1.0 m以下的泥巖、砂巖層中。考慮到管道檢修的可能性，保留球墨鑄鐵管承插接口的性能，巖槽內管道不采用傳統混凝土包封的做法。巖石開槽后，槽底自下而上鋪設100 mm厚級配碎石和100 mm粗砂墊層，管頂500 mm以下采用中粗砂回填，然后滿鋪500 mm厚漿砌片石保護層封蓋，與基巖層無縫銜接。基巖層以上原土回填至現狀河床標高。

根據《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》（CECS 193—2005）[3]，在輸水管道彎管、三通、異徑管、分支管、閥門等處應設支墩，管道的承插口、自由端、伸縮節等處亦應考慮設置支墩，防止位移脫節。本工程中球墨鑄鐵管為非整體連接管道，在角度≥11.25的彎頭、三通處設置支墩，防止連接處在作用力下發生位移脫節。在檢修閥及流量控制閥順水流方向前端設置拖拉墩，以抵消閥門前后壓差產生的推力，保護閥井和閥體。

3 電動活塞式調流閥的應用

本工程采用重力流及兩級加壓輸水系統，取水口、一級泵站、二級泵站及2座蓄水池之間的流量需要進行控制和調節，使各節點上、下游之間的流量和水力條件相互匹配并達到平衡，因此，本工程在泵站進水總管、蓄水池進水總管前端均設置電動活塞式調流閥，配合水泵變頻器可遠程實現流量的準確調節與分配。

在實際運行中，當水泵在特定頻率運行時，電動活塞式調流閥對小范圍的流量調節具有很好的效果，緩速啟閉也不會造成系統關閥水錘。在夜間單泵運行條件下，電動活塞式調流閥聯合變頻器調節流量，即可避免因系統流量過大而引起的水泵電機超載事故，也可使水泵保持在高效區間運行，節約電耗。

大柳塔蓄水池（最高液位1 189.25 m，進水管流量近期71.76 L/s，遠期190.97 L/s）、活雞兔蓄水池（最高液位1 180.15 m，進水管流量近期270.83 L/s，遠期151.62L/s）在不同設計工況下流量相差較大，且高度不同，普通的電動閥門流量調節性能差，難以通過調節開度實現流量的準確調節。電動活塞式調流閥具有優良的線性調節性能，通過遠程在線調節電動活塞式調流閥的開度來控制流量大小，很好地解決了在單泵多池系統中，不同高度的末端水池進水管流量的分配問題，同時也提高了整個輸水系統的自動化水平。

4 結論

（1）水力計算是輸水系統設計的重要環節，在此基礎上才能合理地確定管徑、水泵揚程等重要設計參數。水泵選型時，建議在同一電機功率情況下，泵的流量、揚程有一定的富余量，可應對后期管道運行中管壁結垢，阻力增大問題。

（2）本工程在每臺水泵出水管處安裝多功能水泵控制閥，出水總管安裝壓力波動預止閥，輸水管沿線高點安裝防水錘型空氣閥對停泵水錘的預防作用明顯，管道系統和泵站出口的最高壓力均不超過1.6 MPa，在水泵、管道及閥門設計承壓等級范圍之內。

（3）電動活塞式調流閥在系統流量的平衡和分配調節中發揮重要作用，通過遠程在線調節電動活塞式調流閥的開度來控制流量大小，很好地解決了在單泵多池系統中，不同高度的末端水池進水管流量的分配問題。

本工程已于2021年5月全線建成通水，調試時停泵水錘升壓與軟件模擬基本吻合，水錘防護措施安全可靠，各節點流量分配平衡，在線可調。目前，供水系統運行穩定，達到設計目標，可為同類型工程設計與研究提供一定的參考。

參考文獻：

[1]" 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司. 室外給水設計標準：GB 50013—2018[S]. 北京：中國計劃出版社，2019.

[2]" 湖北省水利水電勘測設計院. 泵站設計規范：GB 50265—2010[S]. 北京：中國計劃出版社，2011.

[3]" 中國市政工程東北設計研究院，長安大學. 城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程：CECS 193—2005[S]. 北京：中國計劃出版社，2005.