人饮管道供水工程重力流影响因素分析

李壮壮

（甘肃省武山县水务局，甘肃 武山 741300）

1 工程概况

以武山县南部农村饮水安全扩网工程为例，该项目范围包括滩歌、龙台、城关3个乡镇，总共10个行政村17个自然村实施。解决2364户、10633人的饮水问题，其中，3552人为用水方便程度不达标，7081人为水量不达标。同时解决项目区13所中小学校、6396名师生的饮水不安全问题。供水规模571立方米/天，全日制供水。工程项目区涉及武山县山区农村，地质多黄土山地，地貌多梁峁沟壑。浅表层水源丰富，实施管道式农村人饮供水工程具有可行性。

2 重力流段管道水压数值测定方法

工程拟在武山县西河一级阶地龙台乡山羊坪村以南300米处新建大口井2眼，通过泵扬取水方式将水源井的水提至新增的龙台加压泵站前池。经净化消毒处理后，将水沿上水管线（新增一条上水管线，与原上水管并排敷设）送到高位水池，再从现有的高位水池，铺设新的配水干管管道配水至各村，通过村级管网供水到户。另一路配水干管是从新增的龙台加压泵站前池起埋设两条配水干管配水至各村的工程方案。工程主要以管道重力流输水为主。水压线某点数值的测试通过压力表测得（关键控制点由正三通与球阀预置一分流口，对接可移式压力表测值），水平距离与垂直高度通过GPS定位仪测得。重力流段管道压力控制效果通过试点测定南部扩网工程南屿沟段为例。通过测试，自100米开始每增加100米，管道压力（兆帕）分别为293、270、231、200、173、151、118、78，呈递减趋势。

3 重力流段输水方案分析

3.1 恒定流输水方案

在静压工况下，考虑输水管道的安全保护，即封闭管道注满水后的工作状态，包括管道水静态与动态两种方式。管道的破裂若发生在静水压状态，即末端用户水龙头处于全关闭状态，多发生在午夜用水闲时段，由封闭管道内最近蓄水池与用户高度差形成的水压超过管道额定压造成；若发生在农户用水时段，即末端水龙头部分打开，则管道水在重力作用下，形成具有强冲击力的水锤、高压空气柱，加之静水压作用，遇到流线小角度拐点或流线狭窄处，瞬间释放能量，往往冲坏隐蔽内伤性管壁、阀门、水龙头等。因此，输水管线多采取大管径、多蓄水池、多数量池前消能阀的联合调度方式。

管线主要通过消能阀主体调节来承担，但是水力控制消能阀开启度一般为15%左右，存在大量的气蚀量、震动大，隐患多。为了尽量减少水锤、空气柱对管道供水工程的危害性，长距离输水线路应充分利用管道自身阻力，以及垂直面呈“S”型管线布置参与系统压力控制。重力流段采取分段长输水管线，增加消能工逐级消能。消能工（多采用减压设备+水工建筑物的联合消能的形式）设置的增多，管线阻力调节功效下降，管径略有增加，为有效控制压力输水，液位一般应高于管线中心线5米以上。

3.2 管线阻力与减压阀联并方案

长输管线其管道阻力影响水流速度，进而影响系统流量，每一次压力坡降线的坡度变化均影响管径或系统流量的变化。一般地，在确保管道输水安全的条件下，多采取小管径、大流量的输水方式。

减压蓄水池至输水末端用户的管道式输水系统，是管线一次减压系统，武山县农村饮水安全工程多属此种类型，最佳的方式就是管线阻力与水量调节阀、减压调节阀相互配合进行限制与控制。系统选择在适当位置一次减压，再在输水系统末端采用流量调节阀进行流量控制。

3.3 小流量与减压阀控制调节方案

在静压工作状态下，调控小流量输水，管道水压会升高。因此，输水干管较低分水点向较高用户输水时，可以通过在分水点安装阀门调节至小流量，以提高管道水压向高处供水。如果不需设置分水点，可采取在相应位置加装减压阀来进行压力控制，以减少对管件的破坏程度。减压阀确定管线的压力一般应不超过80米水头。这样，可使输水线路能够达到较为理想的联合调度压力控制效果。

3.4 重力流水锤影响因素

通过以上对重力流水锤形成原因的分析，在人饮供水工程的具体实践过程中，管线布置的高位水池至输水管末端，按供水管额定工作压标准，重力流段管线划分消能段。在每一消能段重力流水锤取决于输水压力管线坡度（垂直距离与水平距离之比）、输水段管径、输水管流量。通过对武山县南部扩网工程部分段输水管线水压数值的测试，水压变化与高程垂直面呈“S”型，长输管线阻力（坡顶→坡脚→坡顶→坡脚）联合减压阀、流量调节阀，进行管道压力控制，其压力控制效果较理想。

4 重力流水锤保护措施

重力流水锤易引起瞬变流，激起涡漩流、涌动流，产生空穴，瞬间形成封闭性高压空气柱。一般地，应采取以下保护措施：①在输水管线末端应逐级消能，末端阀门多阶段关闭。②管线高点处安装防水锤型空气阀。③末端调节阀之前，安装与其联动的压力波动预止阀。④沟壑地带主管线部分考虑安装超压泄压阀。⑤通过PIPE2000流体力学工程计算软件包系统优化输水方案。根据水利部《关于推进农村供水工程规范化建设的指导意见》，也对泵站防止水锤做出了要求。通过采取以上措施将很大程度降低水锤对管道及水龙头等配件的破坏，提升供水管材使用寿命、极大地降低维修费用、提高供水安全保障水平发挥重大作用。