張志剛

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

南疆地區(qū)水資源時空分布不均，地表水資源量嚴重低于全國平均水平，區(qū)域性缺水尤為嚴重，是當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的嚴重制約因素[1]。長距離跨流域輸水工程作為解決區(qū)域性缺水問題的重要手段，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，對輸水管道的設(shè)計水壓如何選擇進行分析，為類似長距離調(diào)水項目提供思路，供廣大水利工程設(shè)計人員參考。

1 項目概況

烏恰縣工業(yè)園區(qū)作為當?shù)亟?jīng)濟支柱，多年來受水資源限制發(fā)展緩慢。開展引調(diào)水工程不僅提高工業(yè)園區(qū)招商引資能力，推動烏恰縣經(jīng)濟發(fā)展；對康蘇鎮(zhèn)、黑孜葦實現(xiàn)脫貧致富目標同樣具有積極影響。該工程為Ⅳ等小(1)型工程，管道全長為30.862km。采用重力流輸水方式，管線最大設(shè)計流量為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。整體來看，工程具有項目區(qū)地震烈度大、沿線地形變化大、總體落差大、輸水流量小、管道運行壓力大的特點。

2 工程管線總體布置

該工程起點位于康蘇水庫灌溉供水洞出口供水池，設(shè)計水位高程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(樁號0+000)——條形沉砂池(穩(wěn)壓水池) (樁號1+708)段；

2)穩(wěn)壓水池(樁號1+708)——減壓水池(樁號4+190)段；

3)減壓水池(樁號4+190)——烏恰縣水廠末端(樁號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)域地形變化復雜，局部水頭損失量巨大。作為長距離輸水管線，確保管道內(nèi)合理壓力是線路安全的重要保證。局部負壓的產(chǎn)生，極易造成管道內(nèi)氣蝕、斷流水錘的發(fā)生，長期積氣運行，不僅影響管道運行安全，更會引發(fā)管道供水能力不足的問題。因此，對管道沿線自由水頭、水壓線標高及靜水壓力線的計算顯得尤為重要。

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

A:水壓線標高=設(shè)計管中心高程+動水壓力(自由水頭)

B:動水壓力(自由水頭)=上一個節(jié)點的水壓線標高-計算點的設(shè)計管中心高程-與上節(jié)點之間的水頭損失。

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

表1 管線關(guān)鍵節(jié)點自由水頭和水壓線標高計算表

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，其傳遞形式是通過機械波的形式傳遞的。

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。

水擊相時計算公式為：

(2)

式中：Tt為水擊相時，s；L為計算管段長度，m。

水擊水頭計算如下：

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)閉閥門時間，s。

1)靜壓模擬

在進行穩(wěn)態(tài)分析之前需進行靜壓分析，校核管線設(shè)計承壓能力是否滿足要求。即各水池水位達到設(shè)計值時，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

當管道糙率n=0.012時，管道水頭損失最大，以此作為穩(wěn)態(tài)最不利工況進行分析，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)計承壓能力，當流量較小時，管線工作壓力會更高，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)計承壓范圍內(nèi)，因此設(shè)計承壓滿足要求。

結(jié)合工程為有壓重力流的輸水方式，依據(jù)規(guī)范對管道運行水錘壓力的控制，工程管線總體布置分為了三大段，在運行過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。根據(jù)本工程特點，每一段發(fā)生最大水錘壓力均在管線末端，按這個設(shè)計思路考慮，末端水錘壓力按(0.3-0.5)Pw和0.5MPa兩者取大值來控制即可滿足管道正常運行壓力的需要。

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)計工作壓力。由于小流量充水或靜水時，管道流速較低，通過閥門控制，產(chǎn)生的水錘壓力相對較??；正常工作時，通過水力控制措施，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，同時結(jié)合水力學計算和水錘防護數(shù)值模擬計算結(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。具體管道壓力值見表2所示。

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

表2 輸水管道管材及壓力等級選用表

5 結(jié) 論

長距離輸水管線工程設(shè)計工程壓力的選擇作為一個供水項目的重中之重，也是供水項目的核心內(nèi)容。不合理的管道壓力極其容易造成項目管壓浪費，從而造成項目投資的增加。在工程運行階段出現(xiàn)爆管等安全事故，嚴重影響管線的安全運行。通過有壓流水力過渡過程分析、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題的發(fā)生，提高工程的經(jīng)濟效益。