劉德有1，鄭源1，趙冬蓮2，劉潤(rùn)根2，歐陽(yáng)懷龍3

1.河海大學(xué)水利水電工程學(xué)院；
2.江西水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院
3.廬山管理局建設(shè)園林處

　　摘要：結(jié)合廬山蓮花臺(tái)水庫(kù)輸水工程，介紹了長(zhǎng)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?jiǎn)栴}的處理對(duì)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
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TU990.3
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)： 1000-4602(2001)01-0036-04

　　1  工程概況

　　廬山位于江西省北部，長(zhǎng)江、鄱陽(yáng)湖之畔，是國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū)，其主要水源是地處特級(jí) 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(guò)了蘆林湖的正常供水能力。據(jù)測(cè)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(mǎn)足供水要求，特興建了蓮花臺(tái)水庫(kù)供水工程，主要包括一座取水水庫(kù)、一座取水泵站和一條DN400、長(zhǎng)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(tái)水庫(kù)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(tái)水泵并聯(lián)供水(另有1臺(tái)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(kù)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(hào)：-78.5 m，管中心高程：882.3 m，輸水管道出口的樁號(hào)：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(duì)應(yīng)的水頭損失和過(guò)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。

　　2  駝峰管段的負(fù)壓?jiǎn)栴}及其處理對(duì)策

　　2.1 負(fù)壓?jiǎn)栴}
　　根據(jù)水泵性能曲線(xiàn)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(kù)正常蓄水位，2臺(tái)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(kù)死水位，1臺(tái)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(jiàn)，在輸水管道出口附近樁號(hào)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(wú)論是1臺(tái)泵還是2臺(tái)泵的穩(wěn)定運(yùn)行工況下，該負(fù)壓段均將出現(xiàn)。對(duì)于高揚(yáng)程、長(zhǎng)管線(xiàn)供水工程，在正常供水工況下，輸水管道沿線(xiàn)不應(yīng)出現(xiàn)過(guò)長(zhǎng)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(duì)策
　　對(duì)于長(zhǎng)管線(xiàn)供水工程，其輸水管道沿線(xiàn)存在一個(gè)或多個(gè)駝峰管段都是很常見(jiàn)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(duì)于正常供水工況出現(xiàn)的負(fù)壓?jiǎn)栴}，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(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。下面簡(jiǎn)要介紹幾種工程設(shè)計(jì)中常 用的處理對(duì)策，并討論其對(duì)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(duì)于駝峰管段較長(zhǎng)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(méi)出流，從而抬高輸水管道沿線(xiàn)的內(nèi)水壓力 。這樣，蓄水池內(nèi)管出口的淹沒(méi)深度對(duì)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(xiàn)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(duì)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(guò)調(diào)節(jié)其開(kāi)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(duì)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(duì)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(wú)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(wú)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(xiàn)上的最高駝峰出現(xiàn)在樁號(hào)為4 046.33～4 332.33 m處，其管段長(zhǎng)度為286 m， 管中心高程為998.9～999.0m。考慮到該段管段較長(zhǎng)，又基本為水平管段，如果將無(wú)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(mǎn)足無(wú)壓自流過(guò)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(hào)4332.33 m處)，從該節(jié)點(diǎn)至原方案管道出口處(樁號(hào)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(mǎn) 足無(wú)壓自流過(guò)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(wú)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(wú)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(wú)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(jiàn)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(wú)壓水池，通氣管的進(jìn)氣口可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件 布置在隱蔽處。
　　調(diào)節(jié)池后無(wú)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(tái)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(duì)應(yīng)無(wú)壓輸水管道內(nèi)水深為0.10 m。

注 ①通氣管根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)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(kù)正常蓄水位，2臺(tái)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(kù)死水位，1臺(tái)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(duì)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(guò)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(wú)壓水池，確保實(shí)現(xiàn)輸水管道有壓流向無(wú)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(mǎn)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(méi)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(guò)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(mǎn)流交替現(xiàn)象，并確保無(wú)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(jiǎn)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(wú)壓輸水管道內(nèi)的流速不宜過(guò)大，以免管內(nèi)發(fā)生空化、空蝕現(xiàn)象。無(wú)壓輸水管道的出口流速不應(yīng)對(duì)出口外流道產(chǎn)生過(guò)大沖刷，同時(shí)建議該流道作混凝土襯砌處理。無(wú)壓管道沿線(xiàn)一般應(yīng)按緩坡布置設(shè)計(jì)，而且沿線(xiàn)坡降最好不出現(xiàn)過(guò)大的變化。如果無(wú)壓管道沿線(xiàn)存在急坡段，則應(yīng)論證在出現(xiàn)急坡水躍時(shí)會(huì)不會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)間歇性明、滿(mǎn)流現(xiàn)象，以免出現(xiàn)管道振動(dòng)問(wèn)題，如能確保管內(nèi)水躍始終為無(wú)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(duì)于長(zhǎng)管線(xiàn)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(guò)渡過(guò)程中不出現(xiàn)過(guò)大的負(fù)壓現(xiàn)象，特在最高駝峰管段的首端(樁號(hào)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(chǎng)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?jiǎn)栴}。進(jìn)排氣管的功用與進(jìn)排氣閥類(lèi)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(duì)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(kāi)啟時(shí)進(jìn)排氣管內(nèi)出現(xiàn)過(guò)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(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析。
　　本工程在樁號(hào)：-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(tái)進(jìn)排氣閥。

　　6  結(jié)語(yǔ)

　　長(zhǎng)管線(xiàn)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(duì)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(huì)有很大的影響。針對(duì)廬山蓮花臺(tái)水庫(kù)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?jiǎn)栴}時(shí)采用增設(shè)無(wú)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(lèi)似工程設(shè)計(jì)參考應(yīng)用。

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　　收稿日期：2000-07-03