浅析长距离大流量重力流输水管道设计要点

2015-08-12高小涛李红帅朱君妍

河南科技 2015年1期

关键词：水锤水厂管材

高小涛李红帅朱君妍

（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450000；2.华北水利水电大学，河南郑州 450045）

1 引言

随着国民经济的迅速发展，人民生活水平的提高和城镇化建设进程的加快，长距离输水工程日益增多，工程的规模也越来越大，由此带来的技术问题也愈发复杂。因此，应严把施工、设备及阀门质量，同时输水线路的优化设计是重中之重。

图1 某分水口门供水管线总平面示意图

南水北调中线配套工程某分水口门年均分配水量23990 万m3。输水主管线起点为分水口门后进水池出口，输水主管道长度为80.2km，管径为3.0m～2.6m。支线总长30.95km，管径为1.0m～2.4m。主管道设计流量为13.0m3/s，分水口门设计水位为96.05m，加大水位为96.45m，最低控制水位为95.52m。

2 管材选择

随着工程技术、新型材料的发展，我国引进了大量的新型管材和新的生产工艺，为供水工程管材的选择提供了更多的余地。目前给水管材有多种，但大都在钢管（SP）、预应力钢筋混凝土管（PCP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、球墨铸铁管（DIP）、玻璃钢管（GRP）、钢塑复合管等中选择。各种管材都存在优缺点，其对比详见表1。

从安全方面考虑，钢管、球墨铸铁管，PCCP 管比较安全，特别是在工作压力高，管径大，管线起伏较多的工程中。对于DN1000mm 以上的管径，优先选用预应力钢筒混凝土管（PCCP），球墨铸铁管（DIP）价格较高，钢管要特别注意防腐处理以延长使用寿命[1]。

表1 不同管材不同性能对比表（以工作压力1.0MPa 为例）

本工程供水压力小于1.0MPa，管线周边工程地质条件较好。结合附近潜在管材供货厂家情况，并考虑到大口径PCCP 管具有耐久性好、抗震能力强、耐腐蚀性能好、使用寿命长等特点，而且大口径管道价格相对便宜，主管线推荐采用PCCP 管材，管径为DN3000mm 和DN2600mm，支管线管径为DN1400mm、DN1600、DN2400mm，管材均为PCCP 管材。管线在穿河、过路等特殊地段采用钢管。

3 管道附属设备设计

输水线路为一条主干线和五个分支管线组成的复杂供水系统，根据供水安全的需要，输水线路沿线设置控制阀、检修阀，进排气阀、放水阀、流量计、调流调压阀、压力变送器、压力表等附属设备。对整个供水系统的流量、压力进行监测和控制，有效预防和消除水锤对系统造成的危害，保证供水系统的安全性和可靠性。

3.1 控制阀

输水管道沿线控制阀的设置主要考虑沿线多分枝供水时，某一支线检修不对其他支管线产生影响，因此在主管线上分支口处及支线的起端设置控制阀。控制阀井内设电动阀门、压力表和压力变送器，阀件仪表信号输送至就近管理房内的控制系统进行控制。控制阀采用电动蝶阀，阀前阀后分别设置压力表、压力变送器、直径DN3000的蝶阀，采用DN800 半球阀作为控制阀的旁通阀。

3.2 进排气阀

输水管道在启动、检修和正常运行过程中，均需要补气或排气。在输水线路沿线上坡段、下坡段、长水平段和凸顶点、坡度变陡点等起伏变化部分置进排气阀。阀门间距按约0.8～1.0km 设置一个，可以满足管道进排气需求，同时根据过渡过程模拟计算，在特殊位置适当加密进排气阀可以有效预防水锤。根据水锤计算成果，管道沿线设置含检修人孔的进排气三通，并配置检修阀和双排气阀。直径3m 的管道，其单个进排气阀均为DN300，直径2.6m的管道，其单个进排气阀均为DN250。

3.3 检修阀

输水主管道长度约80.2km，属于长距离输水管道工程。根据规范要求一般每5～10km 设置1 处检修井，在穿越大型河道、铁路、公路处也应考虑设置检修阀，在安装水力控制阀，如减压阀、流量计等阀件的地方也应布置检修阀。考虑到管道运行、安装、更换的方便，每个检修阀处配套设置可拆式松套传力接头。

3.4 放空阀

放空阀的作用是在检修时，放空部分管段内的水，放空阀一般设置在线路的最低点。放空阀设计主要考虑放空时间t 及避开管道沿线的农田和建筑物。考虑到放空时水量较大，根据管道的实际布置，在有河流、沟渠的地方设置放空阀，检修时，管道中的水就近放至河流或沟渠中。经综合考虑，直径3m 的管道，放空阀为DN600，直径2.6m 的管道，放空阀为DN500，可以满足管道检修及放空的要求。

3.5 流量计

流量计设置在输水总管进口处及各支管线的末端，以计量管道的输送水量和水厂接收的水量，为动态控制提供流量数据。

根据国内外流量计生产运行实际，经比较管道直径大于1.6m 选用超声波流量计，小口径管道选用电磁流量计。超声波流量计选用五声道及以上，测量精度等级取0.5 级，不仅可以显示瞬间流量和累计流量，还可以在流量发生超常变化时发出报警。流量计与自动监控系统联网，自动监控各测量点的流量及变化。在流量计前的检修井内设置1 台压力变送器，以便监测管道压力，流量计设置旁通阀，可以保证在检修或更换流量计时，输水管道正常运行。

3.6 调节阀

为避免管道产生大幅度的波动，维持管道出口处恒定流量，保证出口处的压力水头，需要在管道末端设置调节阀。为了在调节阀检修维护时不断流，需在该位置设旁通管。在调节前设流量计，通过流量信号对调节阀进行控制。在调节阀后和流量计前设旁通管。

经过水力过渡过程分析计算，并结合调流调压阀的生产制造能力，对于主管径DN2600 的输水管道末端，并联设置调节阀2 个，阀径均为DN1600，压力等级PN1.0MPa。支管线管径DN2400，并联设置调节阀2 个，阀径均为DN1600，压力等级PN1.0MPa。对于沿线分支管线均设置流量调节阀。

4 管线水锤防护

本工程属于重力流输水工程，且属大流量、长距离供水工程，在实际运行过程中，运行工况复杂，在工况切换过程中整个输水系统会发生水力过渡过程现象。该水力过渡过程不仅持续时间长，而且将引起管线压力及供水流量发生较大幅度的变化，严重威胁整个输水系统的供水安全。因此，对其水力过程进行模拟计算，并采用合理措施进行事故防范是保证本工程安全供水的关键。

4.1 分析计算

采用Bentley.Hammer 水锤分析计算软件进行建模，将沿线输水管道特征参数输入模型。经过多次模拟分析，最终确保管道在正常运行工况、关阀、开阀、爆管工况下，管道沿线无负压，管道的最大水锤压力在管道正常压力值范围内。

4.2 水锤安全防护

经过计算分析，在主管线桩号K32+900 附近设置一座双向调压塔，断面直径为15.0m，其顶部高程为101.0m；在桩号K32+900 附近设置一座单向调压塔，断面直径为10.0m，其顶部高程为66.50m；在桩号K68+520 附近设置一座单向调压塔，断面直径为10.00m，顶高程为59.81m。

4.2.1 各支线水厂端阀门单独关闭时的防护要求

在各个支线水厂正常运行工况下，当支线需要停水时，规划水厂01、02、03、04 支线末端水厂阀门可以较快关闭。其中规划水厂01 阀门关闭时间应大于50s，规划水厂03 阀门关闭时间应大于42s，规划水厂04 阀门关闭时间应大于50s，规划水厂02 阀门关闭时间应大于40s。规划水厂05 单独关闭阀门时，水厂阀门的关闭时间应大于420s。

4.2.2 各支线水厂端阀门同时关阀

对于同时关阀工况，为满足各管段的压力控制标准，规划水厂01、02、03、04、05 阀门关闭时间应分别不小于75s、162s、210s、233s、1940s。

4.2.3 各支线水厂端阀门依次开阀

当分水口门进水池为最低水位时，为确保各管段不出现负压，按先后顺序，规划水厂05、04、03、02、01 末端阀门开阀时间应分别不小于3080s、620s、900s、710s、850s。

在输水线路上设置3 座调压塔后，各支线末端设置调流调压阀，按计算给定的开、关阀规律和时间运行，可有效防护管道正常运行爆管工况下产生的水锤。