长距离输水管道中减压措施的研究

□李云霞（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司）

0 引言

随着跨流域调水输水工程的逐渐增多，输水管道的安全问题也日益突出。因此，对长距离、大落差输水工程必须采取一定的减压措施。文章主要结合工程实例分析长距离输水管道中减压措施。

1 工程概况

新疆沙湾县第三水源地工程是解决沙湾县城未来城市缺水的重要工程，该工程主要由取水工程、输水工程、第三水厂以及配水干管四部分组成。工程建设任务是解决县城居民生活、公共用水及工业用水。此工程年供水量为2000万m3，设计引水流量为1.24m3/s，水厂日处理规模为10万m3/d；工程输水管线长18.68 km，总落差为220m。为节省投资、方便管理，提高供水保证率，此工程充分利用地形落差，采用无压重力输水+有压重力输水方式输水。

2 长距离输水管道中压力特点和减压方式

2.1 长距离输水管道中压力特点

近几年，长距离输水管道被越来越多的应用于大型供水工程中，这类供水工程的正常运行需要利用较高的地势特点，利用高度差产生的压力进行调水。它的压力由动力水压和静水压组成，所以控制管道水压是解决调水安全的关键。

此工程管道总长度18.68 km，输水流量为1.24m3/s,地形总落差为220m，供水目的地需预留20m的水头。通常可根据具体的地势特点选择输水管道的材质，一般使用承压能力较强的PCCP管和球墨铸铁管。承压重力输水系统的设计原理是利用地形高度差产生的压力完成整个输水过程。在长距离输水管道中首先应解决的问题是减弱水流对输水管道压力的问题，以提高输水管道的安全性。此工程的最大落差为220m，此落差已经超过了管道的承压能力，所以必须采取一定的减压措施降低水头，以保证工作水头不超过管道的承压能力。

2.2 长距离输水管道减压方式

2.2.1 减压阀

此工程采用的减压方式可以分为两种，一种是减压阀减压，另一种是减压池减压。其中减压阀减压是根据输水工程首末点地形总落差，供水区对压力的要求以及管道压力能力等按照地形的高低把输水管线进行分段处理。然后在不同的高度位置上设置减压阀，根据减压阀所能达到的减压比设置阀后压力，以保证阀后压力在管道承压能力范围之内。

2.2.2 减压池的设置

另一种减压方式是减压池的设置，此减压方式根据输水工程首末点地形总落差，以在不同的高度位置上设置减压池水位作为起始点，以便于向下部管道供水，在此过程中要注意每个减压池控制1个小区的供水。

2.3 分段减压消能

长距离输水管道工程特点一般是距离长、落差大、流量大等，本工程输水管道地形落差为220m，管道长18.68 km，流量为1.24m3/s。如此长的管线和如此大的落差如果不进行管线分段，在强大的水锤压力下要选择经久耐用、经济合理的管材，困难较大。因此，必须考虑分段设置减压设施，实施分段减压消能。把一条长管道分割为若干段不连续的管道，在每一个管道的末尾部分设置闸阀和消能设施，这样就能够起到较好的分压作用，大大减小了水锤的压力，从而减少管道的工作压力，而且减压设施也能够消除因为管道设计存在的问题而产生的剩余水头。

减压设施可以分为三部分，一部分为消能设施、一部分为控制流量大小的闸、阀，另一部分为稳压池。闸、阀门的设施要根据具体工程大小进行合理设计；消能设施一般采用消力池，然后进行闸、阀布置，以便能够消除闸阀出口处的多余水头；稳压池的主要作用是稳定下一级管道进口水流流态，布置在消力池的下游，而且要满足管口有一定淹没水深的要求。消能设施和闸阀也可以采用先进的流量调节阀进行设置。

管道区间的划分要根据实际管线布置、管道承压能力、地形地质特点、消能设施投资以及运行管理的方便可靠等因素进行设置。因此应综合考虑各方面因素进行技术经济比较后河里确定。沙湾县第三水源地工程全段有压输水方式按照上述方法将管线分为四段。

2.4 长闸阀关闭时间

在长距离输水管道上常常因为突然关闭阀门而致使管中流速急剧下降，导致承压能力突然降低、升高或者是周期性往返等，产生较大的水锤压力。水锤压力的计算要采用特殊的征线法结合计算机实施计算。单位时间内动量变化越大，水流产生的冲击波就越大，导致管中流速的变化，而管中流速的改变与闸阀关闭时间的长短有着密切的联系。此工程设计流量Q=1.24m3/s，其中某一段管长L=12 km，净水头H=58.50m，管径为1m这样就嗯呢更计算出时间t和水锤压力H的结果，从而能够得知水锤压力与闸阀关闭时间之间的关系，如图1是闸阀关闭时间t～水锤压力H关系曲线。

图1 阀关闭时间t～水锤压力H关系曲线图

从图中可以看出当时间t>10min时，阀门关闭时间越长，水锤压力减少梯度越小，所以可以将阀门关闭时间控制在10min，管道设计最大工作压力按照1.20倍的净水头设计。从去曲线图中可以确定管道设计工作压力和闸阀关闭时间，以便计算出保证管道安全的管道压力。所以说，适当的延长管道末端的阀门关闭时间能够起到较好的减小管道压力的作用。

3 输水管道的设计

此供水工程采用截潜流方式取水，取水首部以上无调蓄工程，管道供水流量随着季节的变化而发生变化。输水管道的管线长、落差大、地形起伏，运行工况复杂等，这些都不利于输水管道的安全运行。从经济技术方面考虑，在这里设计采用分段输水方案，一百年以最小的造价，最大的降低管道的工作压力，保证输水线路的安全运行；输水管线分为三段，每段的地形落差不超过50m，根据地形特点，选择合适的输水方式，这里供选择的输水方式主要有两种，第一是全段有压力输水方式，另一种是无压重力输水+有压重力输水方式。

3.1 全段有压力输水方式

这种减压方案是一种有压重力输水方式，首先管道首部集水井至第三水厂沿线地形起伏，管线顺着地形合理布置，在输水管线铺设过程中要考虑地形起伏处的正常运行水头，另外，还要考虑方便运行期管理和施工需求，管道的管材尽量使用标准化管件，初拟管径采用DN800的玻璃钢管。本工程地形落差约220m，线路总长18.68 km，为了是管道输水安全进行，减压时要结合地形特点和水头损失特点实施逐级减压。减压方式选择减压阀+消能井的方式，根据减压阀的减压比和管材耐内压能力设置4级减压，每级减压的控制高差控制在50m左右。

3.2 无压重力输水+部分有压重力输水方式

此工程地形复杂、落差大，所以输水管道在设计的过程中可以利用该落差采用无压重力输水方式进行管道设计，根据此工程的实际地形情况，管线总体采用无压重力输水方式，其中无压重力输水为：0-010.86～11+650段，管线全长11.66 km，管径采用DN1200和DN1000的预应力钢筋混凝土管；11+650～18+670.40段地势较平缓，采用有压重力输水方式，总长7.02 km，管径采用DN800，刚度为10000N/m2的玻璃钢管，压力：0.60MPa和1.00MPa，这样的设计要求能够最大限度的满足累积水头的需要。

通过对以上两种方案的分析与研究，全段有压力输水方案投资运行成本相比较高，管道压力比较大，即使通过减压阀降低压力，但是水锤问题较严重，供水安全性有待提高；而无压重力输水+部分有压重力输水方案具有投资成本低、管理方便、技术成熟、便于维修、运行供水安全性高等优点，所以本次工程优化方案就选择无压重力输水+部分有压重力输水方案，以便最大限度的提高工程效益。

4 结语

长距离输水管道的压力问题是工程设计的关键问题，文章研究采取的将长管线合理分段、适当延长管道末端闸、阀的关闭时间及通过选择最优的输水方式是降低管道压力、减少工程投资、保证输水工程安全运行的行之有效的措施。此工程采用无压重力输水+部分有压重力输水方案是合理可行的，此方式能够在管道安全运行的基础上以最小的造价取得最大的工程效益。

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