山丘区长距离高扬程管道输水工程设计探讨

□李志宏 □梁 涛 □王玉新（平顶山市水利勘测设计院）

0 前言

山丘区长距离输水工程中管线长，流量大，管中流速一般较大，沿线地形起伏点多，多处山丘顶点比管末端出口高程大。在以往的设计中，由于受动力设备及输水管材的限制，多采用多级加压泵站与高位蓄水池的方式实现，不仅增加占地、投资，而且后期管理麻烦及运行费增加。随着水泵技术的发展，长距离输水工程的设计得以优化。本文结合工程实例，从水泵选型，水锤防护，管材选择等方面谈几点看法，可为同类工程设计提供参考。

1 工程概况

华中地区的某山丘区长距离输水工程全长21.40km，以水库为水源，设计输水流量800m3/h，取水口高程159.50m，中途最低点高度155.40m，最高点高度263.40m，出水口高度为199.25m，全线最大高差108m。

2 水泵选择

水泵选型是长距离输水工程的重要问题，它不仅直接影响到工程是否稳定安全运行，也关系到工程投资运行费用以及是否满足供水要求等。水泵选型依据，应根据工艺流程，给排水要求，使所选泵的型式和性能符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求。经济上满足设备费、运转费、维修费和管理费的总成本最低的要求。一般多选用离心泵，它具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。若扬程很低，流量很大时，可选用轴流泵和混流泵。在一般情况下，泵站扬程<10m，宜选用轴流泵；5～20m 时宜选用混流泵；20～100m 时宜选用单级离心泵，>100m 时可选用多级离心泵或其他类型的水泵。结合本工程实际根据装置的布置、地形条件、水位条件、运转条件，比选了卧式、立式和斜式3 种泵型。卧式泵安装精度要求低，检修方便，机组造价较便宜，泵房高度较小；但在启动前必须充水，泵房的平面尺寸较大，且需要采用防洪措施。立式泵占地面积较小，叶轮淹没于水下起动方便。动力机层较高，有利于防洪和通风。适用于水源水位变幅较大的场合。斜式泵适用于低扬程泵站，且需要专门的支承结构。最终选用了立式长轴泵，它具有流量大，扬程高的特点，适用于流量30～7000m3/h，扬程7～200m。实现了一泵加压翻越多个起伏较大的山丘，比采用传统的多级加压泵站结合高位蓄水池的方式，节省了投资，减少了后期管理运行费。综合分析水源加压泵采用350LB-50 ×3 立式长轴泵，一用一备，流量800m3/h，扬程150m，功率560kW。值得一提的是，在计算水头损失时，因山丘区起伏较大，流速不均应适当加大水头损失，为水泵扬程选择留有富裕度。

3 管材选取

输水工程管材的比选对节约投资、方便施工意义重大。目前常用的输水管材主要有钢管、球墨铸铁管、预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管、玻璃钢夹砂管及PE、UPVC 等塑料管材。塑料管材口径较小不能满足较大流量输水工程的需要；玻璃钢夹砂管刚度相对较小，脆性大，不适合多起伏的山丘区。钢管、球墨铸铁管、预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管都是工程中常用的管材，适用于工作压力较高，管径不太大的情况。管材的选择一般要从工程的规模、重要性、管道的直径、工作压力，输水距离的长短，以及工程所在地的地形、地貌、地质情况，外部荷载，工期要求，当地管材的生产状况，应用管材的习惯，资金落实情况等方面进行比较后确定。球墨铸铁管对于较软弱管基，接口处容易产生变形，影响管道敷设质量。预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管自重较大，运输和施工不太方便。预应力钢筒混凝土管接口需要特殊处理，造价高。

本工程选用螺旋焊接钢管，管道直径DN630mm，厚度约10mm。它不仅满足当地应用管材的习惯，有充足的资源；而且钢管材质较轻，强度高，韧性好，焊接口密封性高，可制成各种折线型，适用于地面起伏大的地段，对地基不均匀沉降适应能力强。但需要特别注意防腐处理，它直接影响输水工程的寿命，根据工程经验，建议采用工厂内完成内外防腐的处理。

4 水锤防护

水锤现象是指在压力管道中由于流速的剧烈变化引起动量转换，从而在管道中引起一系列急骤的压力交换升级的水力撞击现象。在地形复杂、高低起伏较大的长距离压力管道输水中尤为突出。管道中水流速度变化时常发生，致使管道中的水压力升高或降低，在压力低于水的汽化压力时，水柱就被拉断，出现断流空腔，在空腔处的水流弥合时将产生强烈的撞击，管道中的水升压，形成水锤。水锤有启动水锤、关闭水锤、停泵水锤。由于突然停电或事故停泵所产生的水锤往往较大，水锤压力值可达到工作压力的1.50～3 倍。轻则造成水管爆裂，造成暂时供水中断事故；重则造成设备损坏，伤及操作人员等灾害。水锤防护至关重要，结合工程实际对泵站和管线的水锤防护，应具体分析，预防为主，综合防护。

本次工程设计从以下几点考虑：①根据《给水排水管道结构设计》，在管道的结构设计中考虑了设计内水压力取管道工作压力的1.50 倍；②在水泵出口处安装相应管径、相应压力等级的多功能水泵控制阀，它作为工作阀和事故阀门使用，电动蝶阀作为检修阀门使用，能有效地削减水锤压力峰值，具有缓闭止回阀、电动阀两种阀门的功能，操作管理上更方便、实用；③为满足管线安全运行的基本防护，结合地形起伏，在驼峰处布设排气阀20 个；④在管道地点设置排水阀18 个；⑤在适当的地方设置超压减压阀3 个；⑥防止水锤过程中管道水倒流设置止回阀6 个。

5 结束语

该工程已经投入使用3年，运行状况良好，发挥着一定的经济效益。类似的山丘区长距离高扬程管道输水逐年增加，笔者结合工程实际，在水泵选型，水锤防护，管材选择等几个主要方面加以论述，为类似工程设计提供参考。此外，设计者还应结合工程实际，在管道线路选择、水头损失、扬程计算、管道的经济流速、管壁厚度等方面进一步计算和研究，综合分析为长距离输水提供技术支撑，为投资者提供决策依据。

[1]刘凤英.长距离管道输水工程的管材选用[J].河北工程技术高等专科学校学报.2007，No3.

[2]金锥，姜乃昌，王兴华，等.停泵水锤及其防护[M].第二版.北京中国建筑工业出版社.