阿拉山口供水工程进排气阀设置及特殊地形段进排气阀确定方法

张金承 杨照明

（新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

阿拉山口供水工程水源为博乐哈拉吐鲁克河水，取水口位于河流出山口处，工程由取水口、输水管线、输水隧洞、尾部调节水库组成。设计引水流量1.3m3/s，全线管道均采用钢筒混凝土管（PCCP），管道直径为DN900与DN800两种，全线线路全长62.11km，其中管道长47.92km，隧洞长14.19km。全线总落差694.10m。2006年开工建设，2009年通水。

由于地形落差大，为了减压，沿线（包括隧洞）共分为6段，每一段的末端设消能控制阀一座，沿线分段情况见图1。

图1 纵断面情况

由于进排气阀在长距离输水管道中既有补排气作用，又有减压平压作用，做好进排气阀的布置是非常重要的。以往只对口径、间距提出要求，而忽视进排气阀的设置及哪些部位及地形需要什么型式的进排气阀、应该注意的问题等。本文根据阿拉山口供水工程实例，介绍进排气阀的设置选型及特殊地形进排气阀口径数量的确定方法，从而给同类工程提供借鉴。

2 一般地形条件下进排气阀的设置及选型

一般地形是指管道在任何运行工况下均不会出现负压的地形，这种地形进排气阀的口径确定，按规程取管道直径的1/5～1/8。该工程输水管道直径为DN900及DN800两种，考虑到工程检修的方便，选DN150作为全线通用口径。进排气阀的间距分四种情况区别设置：ⓐ顺着水流方向地形是上升的，管道内气体很容易随着水流由低处向高处移动，这种地形经布置后最大间距达1700m，选常规组合式进排气阀；ⓑ顺着水流方向地形是下降的，在充水阶段水流的方向与气体移动方向是相反的，这种地形间距按不超过1000m布置，选具有大排气量为主的组合式进排气阀；ⓒ在管道隆起点的顶部、洪沟上游及河道的上游岸坡变坡处，这种地形的进排气阀往往瞬间排气量大、压力变化大，选具有进排气量大，并有缓冲功能的进排气阀；ⓓ在地形坡度平缓段，沿着水流地形是缓慢下降的，在充水阶段气体在管道顶部易形成波状流及段塞流，这样的地形间距不超过800m，要求选用能连续排出多段气体、具有缓冲功能的汽缸式进排气阀。该工程管道长共47.924km，共布置进排气阀64个。

3 特殊地形条件下进排气阀的确定

特殊地形是指在管道的分段中间突然出现了中间高上下游低、在管道非恒定流运行工况下动水压力线低于管轴线的地形。这种地形不能像一般地形段那样布置进排气阀，应对进排气阀口径和间距进行分析，必要时进行计算。

以阿拉山口输水管道设计为例，图2是第一段管中心线与首末两点之间的连线，图3是第二段管中心线与首末两点之间的连线，假如管道末端阀门在不控制下泄流量的情况下处于Q输＞Q设，在非恒定流工况下a、b两点可能会出现负压，这是管道设计应该避免的。出现这种情况说明首末两点H落差＞H损，管道输水必然受末端阀门控制，控制管道水压线高于隆起点管中心线一定高度，并满足进排气阀不漏水的最小压力要求（见图4、图5）。该工程a、b两点正处于特殊地形段，进排气阀直径、数量应经过分析计算确定。

图 2～图 5中，a、b为管道末端隆起点，1、2为末端阀门。

图2 非常运用条件下第一段管中心线与首末两点之间的连线

图3 非常运用条件下第二段管中心线与首末两点之间的连线

图4 正常运用条件下第一段管中心线与首末两点之间的连线

图5 正常运用条件下第二段管中心线与首末两点之间的连线

3.1 非恒定流工况分析

对进排气阀最为不利的工况：一是末端阀门关闭过快，引起管道出现水锤压力大于管道安全余量，造成阀前管道破碎，破碎后管道压力突然释放，管道流量突然增加，流量大于管道的正常输水流量，使隆起点出现负压；二是由于阀门打开过快，使阀前管道压力水头突然转化为流速水头，流速大于管道的正常流速，并在上游隆起点处先出现负压，严重时管道内水柱拉断，发生弥合水锤破坏管道。

上述情况发生后，a、b隆起点动水压力迅速由高降低（见图4、图5），如果管道上下是一种管径，从管道的首端向末端连一条直线，该直线就是最低动水压力线（见图2、图3），从图中看出a、b两点压力为负压值。这种地形情况应对a、b两点下游管道在非恒定流情况下的流量变化进行复核，用增大的流量确定a（b）处进排气阀的口径及数量。

根据计算结果，a（b）处下游段管道 Q瞬间＞Q设，为了消除管道负压对管道的破坏，采用两步走的办法进行处理：

a.将末端阀门换为安全性高、操作性能好的控制阀。该工程选用多喷孔锥形阀5台。

b.计算瞬间流量，确定隆起点至控制阀之间进排气阀口径及数量。对局部管道采用伯努里公式进行计算（以第一段为例，见图6）：

图6 第一段管道计算情况

式中Za，Z1——隆起点a点、末端1点位置的高程，m；

Pa，P1——隆起点a点、末端点1点的动水压力，m；

hj——局部水头损失，m；为管道的局部水头损失系数，取管道穿孔后孔口直径为管道直径为0.3D、0.4D、0.45D进行计算；

hf——从a点到1点管道的沿程水头损失，m；混凝土管沿程水头损失公式为

以上各项带入整理后的公式为

如图6所示，管道a-1段流量的变化对a点最不利，应由a点最大静水压力降低到最大负压时的压力进行计算，计算如下：

计算中n取0.013，从a-1管道长1000m，计算结果为：当采用静水压力计算时，爆管穿孔孔径对应的瞬间流量的增加为1.33m3/s、2.27m3/s及2.75m3/s，根据阀门控制及管道流速增加判断，取d=0.4D、Q=2.27m3/s、流速v=4.52m/s，据此对进排气阀口径及数量进行选择。同样可对第二段b点进行计算。计算结果见表1。

3.2 特殊地形处进排气阀口径及数量确定

根据《管道输水工程技术》一书中进排气阀口径的确定公式进行计算：

式中d0——进排气阀通气孔直径，mm；

D0——被保护管道的内径，mm；

υ——被保护管道内水流速度，m/s；

表1 管道穿孔后瞬间流量计算

υ0——进（排）气阀排出时的空气流速，m/s；取 υ0=45m/s。

根据式（2），该段管径为DN800，计算得出进排气阀口径：第一段为DN266，第二段为DN248。为了全线口径统一，折合DN150口径的数量分别为3.1台及2.7台，最后均按3台进行配备，考虑到隆起点处在负压出现后的补气量较多，在隆起点采用一井双阀的布置形式，另一个布置在隆起点下游，计算见表2。

表2 隆起点进排气阀口径计算

用同样的分析方法，对该供水工程其他几个大的隆起地形进行分析计算，通过计算调整了隆起点处的进排气阀配置数量，全线共增加了6个进排气阀，增加了管道运行的安全性。

管道通水后，通过管道各种工况调试运行，并对管道沿线进排气阀处的管道压力进行检测，管道末端隆起点的压力接近零值，但未见负压，一是说明隆起点处进排气阀配置合理，二是说明进排气阀运行正常。

4 结语

阿拉山口供水工程管道分段末端出现隆起地形是未考虑到非恒定流运行情况，这种情况在管道分段论证中应尽量避免。在管道设计中如果一旦出现这种情况，应按以上方法配置进排气阀，以使管道能够安全运行。