摘要：結(jié)合廬山蓮花臺水庫輸水工程，介紹了長距離輸水管道系統(tǒng)在正常供水工況時(shí)駝峰管段出現(xiàn)負(fù)壓問題的處理對策和該工程采用增設(shè)調(diào)節(jié)池方案的有關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：輸水工程,駝峰管段,負(fù)壓,調(diào)節(jié)池

1  工程概況

廬山位于江西省北部，長江、鄱陽湖之畔，是國家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，其主要水源是地處特級 保護(hù)區(qū)內(nèi)的蘆林湖。由于廬山旅游業(yè)的快速發(fā)展，生活用水量急劇增加，用水需求已超過了蘆林湖的正常供水能力。據(jù)測算，至2010年，蘆林湖的平均年缺水量將達(dá)到97×104 m3 。為保護(hù)蘆林湖的水質(zhì)和湖面景觀，并滿足供水要求，特興建了蓮花臺水庫供水工程，主要包括一座取水水庫、一座取水泵站和一條DN400、長約4.6 km的輸水管道。工程設(shè)計(jì)供水能力為1.22×104 m3/d，流量為0.16 m3/s，將蓮花臺水庫的蓄水輸送到蘆林湖，以增加蘆林湖的蓄水量，提高蘆林湖的供水能力。

工程采用2臺水泵并聯(lián)供水(另有1臺備用)，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為1 225 kPa(122.5 m)， 流量為288 m3/h，安裝高程為881.6m。取水水庫的正常蓄水位為912 m，死水 位為887 m。輸水管道進(jìn)口(即水泵出口)的樁號：-78.5 m，管中心高程：882.3 m，輸水管道出口的樁號：4476.33 m，管中心高程：993.02 m，按自由出流設(shè)計(jì)。整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失系數(shù)∑R＝1 042.773(這里R＝Δh/Q2，Δh 、Q分別是對應(yīng)的水頭損失和過流量)，其中管道出口附近約600 m管段(含駝峰管段)內(nèi) 的主要節(jié)點(diǎn)參數(shù)如表1所示。

表1  輸水管道出口附近管段主要節(jié)點(diǎn)的有關(guān)參數(shù)

注 

①表中節(jié)點(diǎn)為對應(yīng)管段的首端節(jié)點(diǎn)，出口節(jié)點(diǎn)無管段與之相對應(yīng)。

②內(nèi)水壓力為0是無壓流情況，節(jié)點(diǎn)內(nèi)水壓力＝節(jié)點(diǎn)壓力水頭-節(jié)點(diǎn)管中心高程。

2  駝峰管段的負(fù)壓問題及其處理對策

2.1 負(fù)壓問題

根據(jù)水泵性能曲線和整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的阻力特性可求得在各種正常供水工況下的 有關(guān)參數(shù)。其中工況1(水庫正常蓄水位，2臺泵并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行)，水泵工作揚(yáng)程：115 5.5 kPa(115.55 m)，總供水流量為2×327.55=655.1 m3/h，相應(yīng)的整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失為345.3 kPa(34.53 m)；工況2(水庫死水位，1臺泵穩(wěn)定運(yùn)行)，水泵工作揚(yáng)程： 1 147.6 kPa(114.76m)，總供水流量為329.5 m3/h，相應(yīng)的整個(gè)輸水管道系統(tǒng) 的總水頭損失為87.4 kPa(8.74 m)。

由表1可見，在輸水管道出口附近樁號為4 046.33～4 400.33 m的管段上將出現(xiàn)內(nèi)水壓 力為- 36.0～-57.4 kPa的虹吸現(xiàn)象，無論是1臺泵還是2臺泵的穩(wěn)定運(yùn)行工況下，該負(fù)壓段均將出現(xiàn)。對于高揚(yáng)程、長管線供水工程，在正常供水工況下，輸水管道沿線不應(yīng)出現(xiàn)過長的負(fù)壓管段，否則在突然停泵的工況下可能造成管道外壓失穩(wěn)的破壞事故。

2.2  處理對策

對于長管線供水工程，其輸水管道沿線存在一個(gè)或多個(gè)駝峰管段都是很常見的，但如在正常 供水工況下，駝峰管段內(nèi)出現(xiàn)較大的負(fù)壓現(xiàn)象，則必須采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┯枰蕴幚恚駝t將可能危及輸水管道的安全運(yùn)行。應(yīng)該指出，對于正常供水工況出現(xiàn)的負(fù)壓問題，常規(guī)的在 駝峰管段設(shè)置進(jìn)排氣閥的處理方案是不適用的，因?yàn)檫M(jìn)排氣閥在該系統(tǒng)中可能始終處于間歇性補(bǔ)氣運(yùn)行狀態(tài)，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。下面簡要介紹幾種工程設(shè)計(jì)中常 用的處理對策，并討論其對于本工程的適用性。

①將駝峰管段在結(jié)構(gòu)上作補(bǔ)強(qiáng)處理，或者將駝峰管段深埋入地下以降低其位置高程而消除負(fù)壓，這是兩種最易于想到也是最易于被接受的處理方案。但對于駝峰管段較長及負(fù)壓值較大的情況，這兩種方案往往都是不經(jīng)濟(jì)的，甚至是不可實(shí)現(xiàn)的。

②在輸水管道出口增設(shè)蓄水池，使管出口為淹沒出流，從而抬高輸水管道沿線的內(nèi)水壓力 。這樣，蓄水池內(nèi)管出口的淹沒深度對于本工程應(yīng)取6.0 m以上，即將蓄水池的設(shè)計(jì)水位取為999.0 m以上。這一方案適用于輸水管道沿線有多個(gè)駝峰，而最高駝峰在前部，其他多個(gè)駝峰在后部(即離出口較近)，并均出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象的情況。這一方案對于本工程雖然是可行的，但顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

③在輸水管道出口增設(shè)錐形閥，通過調(diào)節(jié)其開度增加水頭損失，使輸水管道的內(nèi)水壓力抬高。這一方案適用于供水流量變化幅度較大的情況，但需增加設(shè)備投資，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高，而且對錐形閥的可靠性要求較高，因此本工程也不宜采用。

④將輸水管道上出現(xiàn)負(fù)壓位置后的管道內(nèi)徑縮小，以增加其水頭損失，增大負(fù)壓位置處的內(nèi)水壓力。這一方案應(yīng)是經(jīng)濟(jì)合理的方案，但一般僅適用于出現(xiàn)負(fù)壓的位置距離管道出口較遠(yuǎn)的情況，對于本工程顯然不合適。

⑤在出現(xiàn)負(fù)壓的最高駝峰管段上增設(shè)一無壓調(diào)節(jié)池，從而使有壓輸水管道的出口移至最高駝峰管段處，而調(diào)節(jié)池后的管道按無壓自流設(shè)計(jì)。該方案主要適用于整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的最高駝峰管段出現(xiàn)在管道出口附近，且僅在最高駝峰管段內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，而其后管道不再出現(xiàn)明 顯駝峰的情況。該方案正是本工程設(shè)計(jì)選用的改進(jìn)方案。

3  調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)

3.1調(diào)節(jié)池的位置選擇

輸水管道沿線上的最高駝峰出現(xiàn)在樁號為4 046.33～4 332.33 m處，其管段長度為286 m， 管中心高程為998.9～999.0m。考慮到該段管段較長，又基本為水平管段，如果將無壓調(diào)節(jié) 池增設(shè)在其首端，則難以保證該管段內(nèi)水流滿足無壓自流過水的設(shè)計(jì)要求。因此將調(diào)節(jié)池增設(shè)在該駝峰管段末端(即將有壓輸水管道出口改設(shè)在樁號4332.33 m處)，從該節(jié)點(diǎn)至原方案管道出口處(樁號為4 476.33 m)的144 m管道上有約6.0 m的落差，可以保證其內(nèi)水流滿 足無壓自流過水的設(shè)計(jì)要求。

3.2調(diào)節(jié)池的設(shè)計(jì)參數(shù)

輸水管道上設(shè)置了調(diào)節(jié)池的節(jié)點(diǎn)即有壓輸水管道與無壓輸水管道的交接點(diǎn)。為保證輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止有壓輸水管道出口水流(最大流速約1.4m/s)間歇性地封堵無壓輸水 管道進(jìn)口而產(chǎn)生壓力波動(dòng)現(xiàn)象，特在調(diào)節(jié)池內(nèi)將有壓管道出口與無壓管道進(jìn)口按空間錯(cuò)位布置，其具體布置與設(shè)計(jì)參數(shù)見圖1?？紤]到廬山旅游區(qū)寸土寸金，因此將調(diào)節(jié)池布置在地下，另接φ250的通氣管以保證調(diào)節(jié)池為無壓水池，通氣管的進(jìn)氣口可根據(jù)現(xiàn)場地形條件 布置在隱蔽處。

調(diào)節(jié)池后無壓輸水管道(DN400)內(nèi)的水流如按管道平均坡降的均勻明渠流估算，管內(nèi)最大水深為0.15～0.20 m，1臺泵運(yùn)行時(shí)水深為0.10～0.15m。為安全計(jì)，本工程取調(diào)節(jié)池內(nèi)的設(shè)計(jì)水位為999.20 m，對應(yīng)無壓輸水管道內(nèi)水深為0.10 m。

注 ①通氣管根據(jù)現(xiàn)場地形條件布置；

②圖 中高程單位m，其他單位mm。

圖1調(diào)節(jié)池布置圖

3.3增設(shè)調(diào)節(jié)池后的穩(wěn)定運(yùn)行工況參數(shù)

在增設(shè)調(diào)節(jié)池后，整個(gè)有壓輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失系數(shù)∑R=1 011.601，根據(jù)水泵 性能曲線和有壓輸水管道系統(tǒng)的阻力特性可求得本工程改進(jìn)方案在各種正常供水工況的參數(shù)。其中工況1(水庫正常蓄水位，2臺泵并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行)，水泵工作揚(yáng)程為1 178.8 kPa(117.88 m)，總供水流量為2×313.49=626.98 m3/h，相應(yīng)的整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失為30 6.8 kPa(30.68 m)；工況2(水庫死水位，1臺泵穩(wěn)定運(yùn)行)，水泵工作揚(yáng)程為1194.4 kPa(119.44 m)，總供水流量為304.48 m3/h，相應(yīng)的整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭 損失為72.4 kPa(7.24m)。

3.4調(diào)節(jié)池方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①對于駝峰管段較短及正常供水工況負(fù)壓很小的情況，如果駝峰后的出口管段也較短，則一般在水泵停電時(shí)也不致過分加劇負(fù)壓，此時(shí)經(jīng)論證，可不增設(shè)調(diào)節(jié)池。

②調(diào)節(jié)池的通氣管必須保證有足夠的補(bǔ)氣能力，不可發(fā)生堵塞以確保調(diào)節(jié)池為無壓水池，確保實(shí)現(xiàn)輸水管道有壓流向無壓流的交接。

③為了保證調(diào)節(jié)池前部輸水管道始終處于有壓流狀態(tài)，以避免發(fā)生明、滿流交替現(xiàn)象，有壓輸水管道出口在調(diào)節(jié)池內(nèi)應(yīng)能始終保持淹沒出流狀態(tài)。

④調(diào)節(jié)池的蓄水容積不宜太小，以免池內(nèi)水位出現(xiàn)過大的涌動(dòng)翻滾現(xiàn)象，從而避免有壓輸水管道內(nèi)出現(xiàn)壓力波動(dòng)甚至明、滿流交替現(xiàn)象，并確保無壓輸水管道進(jìn)口不出現(xiàn)間歇性的封堵現(xiàn)象。這也正是本工程增設(shè)調(diào)節(jié)池，而不是簡單地在相同位置增設(shè)進(jìn)排氣管的主要原因。

⑤調(diào)節(jié)池后部無壓輸水管道內(nèi)的流速不宜過大，以免管內(nèi)發(fā)生空化、空蝕現(xiàn)象。無壓輸水管道的出口流速不應(yīng)對出口外流道產(chǎn)生過大沖刷，同時(shí)建議該流道作混凝土襯砌處理。無壓管道沿線一般應(yīng)按緩坡布置設(shè)計(jì)，而且沿線坡降最好不出現(xiàn)過大的變化。如果無壓管道沿線存在急坡段，則應(yīng)論證在出現(xiàn)急坡水躍時(shí)會不會導(dǎo)致管內(nèi)間歇性明、滿流現(xiàn)象，以免出現(xiàn)管道振動(dòng)問題，如能確保管內(nèi)水躍始終為無壓流狀態(tài)，則這種水躍有時(shí)可用其作為一種消能的良好措施。

⑥對于長管線輸水管道系統(tǒng)，調(diào)節(jié)池一般只考慮在控制性高程的駝峰管段上設(shè)置。

4  進(jìn)排氣管的設(shè)計(jì)

本工程改進(jìn)方案為使調(diào)節(jié)池附近的管中心高程為999.0 m的管段內(nèi)在突然停泵的過渡過程中不出現(xiàn)過大的負(fù)壓現(xiàn)象，特在最高駝峰管段的首端(樁號4 046.33 m)，設(shè)置了φ250的進(jìn)排氣管，其進(jìn)氣口高程取為1 002.0 m，進(jìn)氣口位置可根據(jù)現(xiàn)場地形條件布置在隱蔽處。

設(shè)置進(jìn)排氣管的目的是為了利用其在水泵啟動(dòng)時(shí)的排氣作用和在水泵正常停機(jī)或失電工況時(shí)的補(bǔ)氣作用，而不是用其解決輸水管道在正常供水工況下的負(fù)壓問題。進(jìn)排氣管的功用與進(jìn)排氣閥類似，但比進(jìn)排氣閥更經(jīng)濟(jì)、可靠。由于進(jìn)排氣管不宜太高，故只能設(shè)置在正常運(yùn)行工況下內(nèi)水壓力較小的管段上，即一般只宜設(shè)置在有壓管道出口附近管段上。對于輸水管道中、前部位的某些局部駝峰管段，即使其在正常運(yùn)行工況時(shí)的內(nèi)水壓力較小，一般也不宜設(shè)置進(jìn)排氣管，以免在水泵開啟時(shí)進(jìn)排氣管內(nèi)出現(xiàn)過大的水位波動(dòng)甚至溢流。

5  進(jìn)排氣閥的設(shè)計(jì)

進(jìn)排氣閥的設(shè)計(jì)主要依據(jù)整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的水力過渡過程計(jì)算分析。

本工程在樁號：-28.0,209.50,401.34,654.30,868.32,1 055.14,1 218.84,1 399 .84,2 195.71,3 740.33,3 888.33 m等處共設(shè)置了11臺進(jìn)排氣閥。

6  結(jié)語

長管線供水工程的輸水管道設(shè)計(jì)布置涉及多方面的因素，一般需經(jīng)多方案的比較分析才能確定最佳的設(shè)計(jì)方案。不同的設(shè)計(jì)方案有時(shí)對水泵選型、工程投資、工程運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全靠性都會有很大的影響。針對廬山蓮花臺水庫供水工程的輸水管道系統(tǒng)的有關(guān)特點(diǎn)，介紹在正常供水工況下駝峰管段出現(xiàn)負(fù)壓問題時(shí)采用增設(shè)無壓調(diào)節(jié)池方案的設(shè)計(jì)實(shí)例和設(shè)計(jì)點(diǎn)以及進(jìn)排氣管、進(jìn)排氣閥的設(shè)計(jì)布置情況。實(shí)際運(yùn)行情況表明，上述設(shè)計(jì)方案是合理、可行的，可供其他類似工程設(shè)計(jì)參考應(yīng)用。

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