廬山蓮花臺水庫供水工程的輸水管道設(shè)計
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)在正常供水工況時駝峰管段出現(xiàn)負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)計要點。
關(guān)鍵詞：輸水工程,駝峰管段,負壓,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，是國家重點風(fēng)景名勝區(qū)，其主要水源是地處特級 保護區(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到97×104 m3 。為保護蘆林湖的水質(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)計揚程為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。整個輸水管道系統(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)點的有關(guān)參數(shù)
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注
①表中節(jié)點為對應(yīng)管段的首端節(jié)點，出口節(jié)點無管段與之相對應(yīng)。
②內(nèi)水壓力為0是無壓流情況，節(jié)點內(nèi)水壓力＝節(jié)點壓力水頭-節(jié)點管中心高程。
2 駝峰管段的負壓問題及其處理對策
2.1 負壓問題
根據(jù)水泵性能曲線和整個輸水管道系統(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)定運行)，水泵工作揚程：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)定運行)，水泵工作揚程： 1 147.6 kPa(114.76m)，總供水流量為329.5 m3/h，相應(yīng)的整個輸水管道系統(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)定運行工況下，該負壓段均將出現(xiàn)。對于高揚程、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或多個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)較大的負壓現(xiàn)象，則必須采用適當?shù)墓こ檀胧┯枰蕴幚恚駝t將可能危及輸水管道的安全運行。應(yīng)該指出，對于正常供水工況出現(xiàn)的負壓問題，常規(guī)的在 駝峰管段設(shè)置進排氣閥的處理方案是不適用的，因為進排氣閥在該系統(tǒng)中可能始終處于間歇性補氣運行狀態(tài)，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法實現(xiàn)穩(wěn)定運行。下面簡要介紹幾種工程設(shè)計中常 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)上作補強處理，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壓值較大的情況，這兩種方案往往都是不經(jīng)濟的，甚至是不可實現(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駝峰，而最高駝峰在前部，其他多個駝峰在后部(即離出口較近)，并均出現(xiàn)負壓現(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，運行維護費用較高，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)負壓位置后的管道內(nèi)徑縮小，以增加其水頭損失，增大負壓位置處的內(nèi)水壓力。這一方案應(yīng)是經(jīng)濟合理的方案，但一般僅適用于出現(xiàn)負壓的位置距離管道出口較遠的情況，對于本工程顯然不合適。
⑤在出現(xiàn)負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。該方案主要適用于整個輸水管道系統(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)計選用的改進方案。
3 調(diào)節(jié)池設(shè)計
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)計要求。
3.2調(diào)節(jié)池的設(shè)計參數(shù)
輸水管道上設(shè)置了調(diào)節(jié)池的節(jié)點即有壓輸水管道與無壓輸水管道的交接點。為保證輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，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 管道進口而產(chǎn)生壓力波動現(xiàn)象，特在調(diào)節(jié)池內(nèi)將有壓管道出口與無壓管道進口按空間錯位布置，其具體布置與設(shè)計參數(shù)見圖1。考慮到廬山旅游區(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臺泵運行時水深為0.10～0.15m。為安全計，本工程取調(diào)節(jié)池內(nèi)的設(shè)計水位為999.20 m，對應(yīng)無壓輸水管道內(nèi)水深為0.10 m。
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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)定運行工況參數(shù)
在增設(shè)調(diào)節(jié)池后，整個有壓輸水管道系統(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)定運行)，水泵工作揚程為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)定運行)，水泵工作揚程為1194.4 kPa(119.44 m)，總供水流量為304.48 m3/h，相應(yīng)的整個輸水管道系統(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)計要點
①對于駝峰管段較短及正常供水工況負壓很小的情況，如果駝峰后的出口管段也較短，則一般在水泵停電時也不致過分加劇負壓，此時經(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)過大的涌動翻滾現(xiàn)象，從而避免有壓輸水管道內(nèi)出現(xiàn)壓力波動甚至明、滿流交替現(xiàn)象，并確保無壓輸水管道進口不出現(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，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 進排氣管的設(shè)計
本工程改進方案為使調(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的進排氣管，其進氣口高程取為1 002.0 m，進氣口位置可根據(jù)現(xiàn)場地形條件布置在隱蔽處。
設(shè)置進排氣管的目的是為了利用其在水泵啟動時的排氣作用和在水泵正常停機或失電工況時的補氣作用，而不是用其解決輸水管道在正常供水工況下的負壓問題。進排氣管的功用與進排氣閥類似，但比進排氣閥更經(jīng)濟、可靠。由于進排氣管不宜太高，故只能設(shè)置在正常運行工況下內(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，即使其在正常運行工況時的內(nèi)水壓力較小，一般也不宜設(shè)置進排氣管，以免在水泵開啟時進排氣管內(nèi)出現(xiàn)過大的水位波動甚至溢流。
5 進排氣閥的設(shè)計
進排氣閥的設(shè)計主要依據(jù)整個輸水管道系統(tǒng)的水力過渡過程計算分析。
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臺進排氣閥。
6 結(jié)語
長管線供水工程的輸水管道設(shè)計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)計方案。不同的設(shè)計方案有時對水泵選型、工程投資、工程運行的經(jīng)濟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，介紹在正常供水工況下駝峰管段出現(xiàn)負壓問題時采用增設(shè)無壓調(diào)節(jié)池方案的設(shè)計實例和設(shè)計點以及進排氣管、進排氣閥的設(shè)計布置情況。實際運行情況表明，上述設(shè)計方案是合理、可行的，可供其他類似工程設(shè)計參考應(yīng)用。
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