關(guān)于長(zhǎng)距離重力流輸水管道管壓的選擇

張志剛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

南疆地區(qū)水資源時(shí)空分布不均，地表水資源量嚴(yán)重低于全國(guó)平均水平，區(qū)域性缺水尤為嚴(yán)重，是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的嚴(yán)重制約因素[1]。長(zhǎng)距離跨流域輸水工程作為解決區(qū)域性缺水問(wèn)題的重要手段，有效緩解干旱地區(qū)日益緊張的供需水矛盾[2]。文章以新疆克州烏恰縣引調(diào)水工程為例，對(duì)輸水管道的設(shè)計(jì)水壓如何選擇進(jìn)行分析，為類似長(zhǎng)距離調(diào)水項(xiàng)目提供思路，供廣大水利工程設(shè)計(jì)人員參考。

1 項(xiàng)目概況

烏恰縣工業(yè)園區(qū)作為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)支柱，多年來(lái)受水資源限制發(fā)展緩慢。開(kāi)展引調(diào)水工程不僅提高工業(yè)園區(qū)招商引資能力，推動(dòng)烏恰縣經(jīng)濟(jì)發(fā)展；對(duì)康蘇鎮(zhèn)、黑孜葦實(shí)現(xiàn)脫貧致富目標(biāo)同樣具有積極影響。該工程為Ⅳ等小(1)型工程，管道全長(zhǎng)為30.862km。采用重力流輸水方式，管線最大設(shè)計(jì)流量為0.41m3/s。輸水管線工程主要處于低山丘陵地貌單元，沿途橫穿河谷階地、基巖山區(qū)，山前沖洪積扇等多種地形，地形起伏較大。工程沿線大部分區(qū)域50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.4g，其相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅸ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。整體來(lái)看，工程具有項(xiàng)目區(qū)地震烈度大、沿線地形變化大、總體落差大、輸水流量小、管道運(yùn)行壓力大的特點(diǎn)。

2 工程管線總體布置

該工程起點(diǎn)位于康蘇水庫(kù)灌溉供水洞出口供水池，設(shè)計(jì)水位高程2481.0m，末端為烏恰縣水廠已建沉淀前池。該沉淀池設(shè)計(jì)水位高程2260.5m。管線起始落差218.47m，最大落差346.76m。管線全段采用重力流輸水方式，為滿足功能性及安全性需要，共設(shè)置附屬建筑物214座，其中條形沉砂池(穩(wěn)壓水池)、穩(wěn)壓水池、減壓水池各一座。

1)起點(diǎn)(樁號(hào)0+000)——條形沉砂池(穩(wěn)壓水池) (樁號(hào)1+708)段；

2)穩(wěn)壓水池(樁號(hào)1+708)——減壓水池(樁號(hào)4+190)段；

3)減壓水池(樁號(hào)4+190)——烏恰縣水廠末端(樁號(hào)30+862)段。

圖1 工程總平面布置示意圖

3 管道壓力的選擇

該工程所處區(qū)域地形變化復(fù)雜，局部水頭損失量巨大。作為長(zhǎng)距離輸水管線，確保管道內(nèi)合理壓力是線路安全的重要保證。局部負(fù)壓的產(chǎn)生，極易造成管道內(nèi)氣蝕、斷流水錘的發(fā)生，長(zhǎng)期積氣運(yùn)行，不僅影響管道運(yùn)行安全，更會(huì)引發(fā)管道供水能力不足的問(wèn)題。因此，對(duì)管道沿線自由水頭、水壓線標(biāo)高及靜水壓力線的計(jì)算顯得尤為重要。

1)管道沿線的自由水頭計(jì)算，采用各管段起點(diǎn)最低水位計(jì)算，結(jié)合沿線設(shè)計(jì)管中心高程、各段之間的水頭損失，計(jì)算各點(diǎn)的自由水頭及水壓線標(biāo)高，即：

A:水壓線標(biāo)高=設(shè)計(jì)管中心高程+動(dòng)水壓力(自由水頭)

B:動(dòng)水壓力(自由水頭)=上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的水壓線標(biāo)高-計(jì)算點(diǎn)的設(shè)計(jì)管中心高程-與上節(jié)點(diǎn)之間的水頭損失。

2)最大靜水壓力：按上述工況結(jié)果分析，管道起點(diǎn)采用穩(wěn)壓水池的正常蓄水位起算，計(jì)算結(jié)果需滿足設(shè)計(jì)擬定的輸水要求。

表1 管線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)自由水頭和水壓線標(biāo)高計(jì)算表

4 管道水錘壓力

在壓力管道中因流速劇烈變化，從而在管路中產(chǎn)生一系列的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象稱為水錘現(xiàn)象。因流速變化而產(chǎn)生的壓力變化，其傳遞形式是通過(guò)機(jī)械波的形式傳遞的。

根據(jù)水擊波傳播速度公式：

(1)

式中：C為均質(zhì)圓形管(e/d<1/20)水擊波傳播速度，m/s；d為管徑，m；e為管壁厚度，m；K為水的體積彈性模量，kN/m2；E為管材縱向彈性模量，kN/m2。

水擊相時(shí)計(jì)算公式為：

(2)

式中：Tt為水擊相時(shí)，s；L為計(jì)算管段長(zhǎng)度，m。

水擊水頭計(jì)算如下：

1)直接水擊壓力水頭

(3)

式中：Hd為直接水擊水頭，m；V0為閥門(mén)前的水流速度，m/s。

2)間接水擊水頭

用間接水擊壓力公式計(jì)算間接水錘壓力，公式如下：

(4)

式中：Hi為間接水擊水頭，m；Tg為關(guān)閉閥門(mén)時(shí)間，s。

1)靜壓模擬

在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析之前需進(jìn)行靜壓分析，校核管線設(shè)計(jì)承壓能力是否滿足要求。即各水池水位達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，關(guān)閉各管線末端控制閥，使管線充滿水，分析管線承受的靜壓，全線靜水壓力均在承壓范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)承壓能力滿足要求。工程靜壓分析如圖2所示。

圖2 靜壓分析圖

2)穩(wěn)態(tài)模擬

當(dāng)管道糙率n=0.012時(shí)，管道水頭損失最大，以此作為穩(wěn)態(tài)最不利工況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)壓力分布圖

管線工作壓力(自由水頭)小于管線設(shè)計(jì)承壓能力，當(dāng)流量較小時(shí)，管線工作壓力會(huì)更高，極限工作壓力是靜壓，由靜壓圖分析可知，全線靜壓均在設(shè)計(jì)承壓范圍內(nèi)，因此設(shè)計(jì)承壓滿足要求。

結(jié)合工程為有壓重力流的輸水方式，依據(jù)規(guī)范對(duì)管道運(yùn)行水錘壓力的控制，工程管線總體布置分為了三大段，在運(yùn)行過(guò)程中水錘壓力一般發(fā)生在管道沿線的減壓閥、閘閥等設(shè)備啟閉時(shí)。根據(jù)本工程特點(diǎn)，每一段發(fā)生最大水錘壓力均在管線末端，按這個(gè)設(shè)計(jì)思路考慮，末端水錘壓力按(0.3-0.5)Pw和0.5MPa兩者取大值來(lái)控制即可滿足管道正常運(yùn)行壓力的需要。

工程全線為有壓重力流輸水，未發(fā)生水錘的工況下，取靜水壓力為設(shè)計(jì)工作壓力。由于小流量充水或靜水時(shí)，管道流速較低，通過(guò)閥門(mén)控制，產(chǎn)生的水錘壓力相對(duì)較小；正常工作時(shí)，通過(guò)水力控制措施，可有效降低水錘壓力，因此，取(工作壓力+0.5MPa，工作壓力×(1.3-1.5)MPa)兩者大值作為管道的公稱壓力，同時(shí)結(jié)合水力學(xué)計(jì)算和水錘防護(hù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，采用有效的水力措施控制水錘壓力在公稱壓力范圍之內(nèi)，最終確定各管段管道壓力值。具體管道壓力值見(jiàn)表2所示。

圖4 烏恰縣康蘇水庫(kù)引調(diào)水工程縱斷面圖(樁號(hào)0+000-30+862)

表2 輸水管道管材及壓力等級(jí)選用表

5 結(jié) 論

長(zhǎng)距離輸水管線工程設(shè)計(jì)工程壓力的選擇作為一個(gè)供水項(xiàng)目的重中之重，也是供水項(xiàng)目的核心內(nèi)容。不合理的管道壓力極其容易造成項(xiàng)目管壓浪費(fèi)，從而造成項(xiàng)目投資的增加。在工程運(yùn)行階段出現(xiàn)爆管等安全事故，嚴(yán)重影響管線的安全運(yùn)行。通過(guò)有壓流水力過(guò)渡過(guò)程分析、水錘影響分析，為輸水管線管材、管壓選擇提供理論支持，有效避免爆管等安全問(wèn)題的發(fā)生，提高工程的經(jīng)濟(jì)效益。