关于长距离重力流输水管道管压的选择

张志刚

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

南疆地区水资源时空分布不均，地表水资源量严重低于全国平均水平，区域性缺水尤为严重，是当地经济社会发展的严重制约因素[1]。长距离跨流域输水工程作为解决区域性缺水问题的重要手段，有效缓解干旱地区日益紧张的供需水矛盾[2]。文章以新疆克州乌恰县引调水工程为例，对输水管道的设计水压如何选择进行分析，为类似长距离调水项目提供思路，供广大水利工程设计人员参考。

1 项目概况

乌恰县工业园区作为当地经济支柱，多年来受水资源限制发展缓慢。开展引调水工程不仅提高工业园区招商引资能力，推动乌恰县经济发展；对康苏镇、黑孜苇实现脱贫致富目标同样具有积极影响。该工程为Ⅳ等小(1)型工程，管道全长为30.862km。采用重力流输水方式，管线最大设计流量为0.41m3/s。输水管线工程主要处于低山丘陵地貌单元，沿途横穿河谷阶地、基岩山区，山前冲洪积扇等多种地形，地形起伏较大。工程沿线大部分区域50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.4g，其相应的地震基本烈度为Ⅸ度，区域构造稳定性较差。整体来看，工程具有项目区地震烈度大、沿线地形变化大、总体落差大、输水流量小、管道运行压力大的特点。

2 工程管线总体布置

该工程起点位于康苏水库灌溉供水洞出口供水池，设计水位高程2481.0m，末端为乌恰县水厂已建沉淀前池。该沉淀池设计水位高程2260.5m。管线起始落差218.47m，最大落差346.76m。管线全段采用重力流输水方式，为满足功能性及安全性需要，共设置附属建筑物214座，其中条形沉砂池(稳压水池)、稳压水池、减压水池各一座。

1)起点(桩号0+000)——条形沉砂池(稳压水池) (桩号1+708)段；

2)稳压水池(桩号1+708)——减压水池(桩号4+190)段；

3)减压水池(桩号4+190)——乌恰县水厂末端(桩号30+862)段。

图1 工程总平面布置示意图

3 管道压力的选择

该工程所处区域地形变化复杂，局部水头损失量巨大。作为长距离输水管线，确保管道内合理压力是线路安全的重要保证。局部负压的产生，极易造成管道内气蚀、断流水锤的发生，长期积气运行，不仅影响管道运行安全，更会引发管道供水能力不足的问题。因此，对管道沿线自由水头、水压线标高及静水压力线的计算显得尤为重要。

1)管道沿线的自由水头计算，采用各管段起点最低水位计算，结合沿线设计管中心高程、各段之间的水头损失，计算各点的自由水头及水压线标高，即：

A:水压线标高=设计管中心高程+动水压力(自由水头)

B:动水压力(自由水头)=上一个节点的水压线标高-计算点的设计管中心高程-与上节点之间的水头损失。

2)最大静水压力：按上述工况结果分析，管道起点采用稳压水池的正常蓄水位起算，计算结果需满足设计拟定的输水要求。

表1 管线关键节点自由水头和水压线标高计算表

4 管道水锤压力

在压力管道中因流速剧烈变化，从而在管路中产生一系列的压力交替变化的水力撞击现象称为水锤现象。因流速变化而产生的压力变化，其传递形式是通过机械波的形式传递的。

根据水击波传播速度公式：

(1)

式中：C为均质圆形管(e/d<1/20)水击波传播速度，m/s；d为管径，m；e为管壁厚度，m；K为水的体积弹性模量，kN/m2；E为管材纵向弹性模量，kN/m2。

水击相时计算公式为：

(2)

式中：Tt为水击相时，s；L为计算管段长度，m。

水击水头计算如下：

1)直接水击压力水头

(3)

式中：Hd为直接水击水头，m；V0为阀门前的水流速度，m/s。

2)间接水击水头

用间接水击压力公式计算间接水锤压力，公式如下：

(4)

式中：Hi为间接水击水头，m；Tg为关闭阀门时间，s。

1)静压模拟

在进行稳态分析之前需进行静压分析，校核管线设计承压能力是否满足要求。即各水池水位达到设计值时，关闭各管线末端控制阀，使管线充满水，分析管线承受的静压，全线静水压力均在承压范围内，设计承压能力满足要求。工程静压分析如图2所示。

图2 静压分析图

2)稳态模拟

当管道糙率n=0.012时，管道水头损失最大，以此作为稳态最不利工况进行分析，结果如图3所示。

图3 稳态压力分布图

管线工作压力(自由水头)小于管线设计承压能力，当流量较小时，管线工作压力会更高，极限工作压力是静压，由静压图分析可知，全线静压均在设计承压范围内，因此设计承压满足要求。

结合工程为有压重力流的输水方式，依据规范对管道运行水锤压力的控制，工程管线总体布置分为了三大段，在运行过程中水锤压力一般发生在管道沿线的减压阀、闸阀等设备启闭时。根据本工程特点，每一段发生最大水锤压力均在管线末端，按这个设计思路考虑，末端水锤压力按(0.3-0.5)Pw和0.5MPa两者取大值来控制即可满足管道正常运行压力的需要。

工程全线为有压重力流输水，未发生水锤的工况下，取静水压力为设计工作压力。由于小流量充水或静水时，管道流速较低，通过阀门控制，产生的水锤压力相对较小；正常工作时，通过水力控制措施，可有效降低水锤压力，因此，取(工作压力+0.5MPa，工作压力×(1.3-1.5)MPa)两者大值作为管道的公称压力，同时结合水力学计算和水锤防护数值模拟计算结果，采用有效的水力措施控制水锤压力在公称压力范围之内，最终确定各管段管道压力值。具体管道压力值见表2所示。

图4 乌恰县康苏水库引调水工程纵断面图(桩号0+000-30+862)

表2 输水管道管材及压力等级选用表

5 结 论

长距离输水管线工程设计工程压力的选择作为一个供水项目的重中之重，也是供水项目的核心内容。不合理的管道压力极其容易造成项目管压浪费，从而造成项目投资的增加。在工程运行阶段出现爆管等安全事故，严重影响管线的安全运行。通过有压流水力过渡过程分析、水锤影响分析，为输水管线管材、管压选择提供理论支持，有效避免爆管等安全问题的发生，提高工程的经济效益。