水电移民山区长距离供水工程管线设计

王永才，朱如龙，朱耿军，舒高华

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.中国长江三峡集团有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

相对于城市市政供水，水电移民安置点生活供水工程多处在山区，地形起伏较大，地形地质条件较恶劣，供水规模普遍较小，且多采用重力输水方式。以往的设计中，很多设计人员仍采用市政水泵供水的设计思路，导致供水管道管径偏大，出现半管流、虹吸负压等不利工况。基于上述现状与问题，本文以云南省澜沧江苗尾水电站苗尾迁建集镇供水工程为例，浅谈山区长距离供水工程管线设计的要点，为山区长距离重力输水工程设计提供一定的参考。

1 设计思路及基本原理

1.1 设计思路

(1)长距离重力输水管线，从安全角度出发，应采用恒定流的供水方式，即从取水点到用水点供水周期稳定，流量尽可能保持不变。

(2)分段泄压，将管道静水压力控制在安全范围内。

1.2 基本原理

图1为重力输水管道分区原理，从水源地G1输水至水池G4，若输水管道不分段，且全线采用相同的管径，则水力坡度为i=ΔZ/L，这时部分管道承受的压力很高，可是G3点管道中仍出现负压，显然是不合理的。如将输水管道分成3段，并在G2、G3处建造水池，则G2点附近管道的工作压力有所下降，G3点也不会出现负压，大部分管道的静水压力显著减小。

图1 重力输水管分区原理

输水管分段并在适当的位置建造水池后，不仅可以降低输水管的工作压力，并且可以降低输水管的静水压力，因此是经济合理的，水池应尽量布置在地形较高的地方，以免出现虹吸管段[1]。

设计时，输水量Q、位置水头H及输水距离L均为已知参数，可据此确定输水管管径的大小。假定供水管道为单管输水，G1～G2管段位置水头为h1，管道流量为设计流量Q，管道长度为L1，G1～G2管道可采用两种不同管径d1，d2的管道串联，则根据《水力学》(第四版)串联管道的水力计算公式，该管段的水头损失为

式中，H1为管道水头损失；Q为管道设计流量；l1、l2为两种不同管径对应的长度；K1，K2为两种不同管径对应的流量模数

2 工程设计

2.1 管道布置

苗尾迁建集镇供水工程管道沿线地形落差较大、地形起伏段多，设计采用分段输水的方案，即在管道沿线适当的地方设置泄压池，将管道分成若干段，管道采用PN1.6 MPa的焊接钢管，每段管道的地形落差不超过160 m，从而降低管道的工作压力，保证管道安全运行。

从图2中可以看出，若输水管线不分段，则很长一段管道将处于负压状态，且最低点管道静水压力将达到约800 m，显然不合理，因此，设计中根据地形条件设置泄压池将整条管道分成8段，每段管道位置水头控制在160 m以内，并将泄压池布置在高处，保证各管段不会出现虹吸现象，并在局部凸起处布置排气阀，低洼处布置排泥阀，工程共布置泄压池7座，排气阀井13座，排泥阀井15座。

图2 供水管道纵断面示意

2.2 管道水力计算

在城镇市政管网设计中，水力计算涉及到管网平差、水头损失计算等，管网平差的目的是要确定管网中各管段的管径，水头损失计算则是要确定水泵的扬程，并对各种不利的工况进行校核。而重力供水工程中不涉及到水泵，即“扬程”已经确定，因此水力计算的目的是要根据已知的“扬程”和流量来确定各段管道的管径，并复核各管段的承压情况。

本工程设计流量Q=11.57 L/s，每个管段均按照采用不同管径的管道串联进行计算，两种管径分别为d1、d2，两种管径对应的长度分别l1、l2(l1+l2=L，l2可等于0)，两种管径对应的流量模数为K1、K2。

第一段管道从取水点至1号泄压池，管道长度L=5 896 m，位置水头H=25 m，从计算表1中可以看出，若全部采用DN150管道，则管段过流能力为10.74L/s小于设计流量；若全部采用DN200管道，则管段过流能力为23.14 L/s，远大于设计流量；若采用DN150与DN200两种管径串联，其中DN200的管道长度为2 000 m，其余为DN150管道，则管段过流能力为12.54 L/s，流量略大于设计流量，可满足设计要求，因此，可以确定第一段管道采用2 000 m DN200管道与3 896 m DN150管道串联。依次类推确定其他管段的设计管径，计算结果见表1(仅列出前三段管道计算结果)。

表1 输水管道管径试算

2.3 泄压池设计

泄压池设置的目的是为了为防止管道运行时承压过大，将管道分段泄压，保证输水管线的运行安全。设计时应使泄压池上游来水量与下游供水量基本保持平衡，根据CECS 193:2005《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》规定，当输水管道高差较大或距离很长需要分段时，可设调节水池(泄压池)，其容积应根据工艺要求通过工况分析和水力计算确定。当输水规模不大或要求不高时，重力输水管道中间水池(泄压池)容积可按不小于5 min的最大设计水量确定。

苗尾迁建集镇供水工程泄压池采用钢筋混凝土结构，共设泄压池7座，泄压池尺寸为：1.8 m(长)×1.6 m(宽)×2.3 m(高)。根据地形条件将泄压池布置在地形相对较高点，保证各管道可重力供水且沿途管道不会出现负压。

2.4 水锤防护措施

在压力管道中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象[2]。由于水锤的产生，使得管道中压力急剧增大至超过正常压力的几倍甚至十几倍，如不采取有效的防护措施，宜造成水管爆裂，引发事故。重力输水系统设计主要对末端关阀水锤进行防护，具体措施有：

(1)在管道凸起及适当位置设置空气阀，空气阀是一种用于防止水锤过程中产生负压的特殊阀门。当管道内压力低于大气压时吸入空气，而当管道中压力高于大气压时排出空气[3]。工程实际中，采用空气阀进行水锤防护，可有效减小发生水锤事故概率。

(2)管道末端采用缓闭蝶阀，管线需要停水检修时，缓慢关闭末端检修阀门，采用250 s内两阶段关闭，前100 s相对快速均匀关闭80%，后150 s内缓慢关闭另外20%[4]。

(3)重视充水启动过程，管道初次充水启动应控制水流速度不超过0.3 m/s，密切关注沿线空气阀的工作状态，保证其排气畅通。

3 结 语

供水工程重力输水系统具有运行费用低，维护管理方便，在水源与用水点地形落差较大的地区有着较为广泛的应用，工程设计中应注重管道布置，尽量减少管道起伏，并合理布置泄压、排气等设施，保证输水系统运行安全。另外，针对水电移民安置点生活供水工程，应加强对输水系统管理人员的培训，正确掌握重力输水系统运行维护管理方法，防止误操作导致发生水锤事故等。