双管式溢流稳压塔技术研究及应用

周庆春

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006）

1 课题背景

辽宁省大伙房水库输水（二期）工程的主要任务是将浑江调来的水经大伙房水库调节后有效配置给辽宁中部地区的抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦等6个缺水城市，是老工业基地产业结构调整和改造、沿海经济带开发的重要区域性水资源配置工程，涉水人口上千万。工程分两步实施，一是工程设计水平年为2015年，输水量为327万t/d；二是工程设计水平年为2030年，输水量为504万t/d。

二期工程恒定流计算过程中，为解决静水压力问题，设置了4座双向稳压塔，考虑水力过渡过程计算结果的要求，又增设了2座双向稳压塔，共设置了6座双向稳压塔，塔高为38～50m高。传统的双向溢流稳压塔造价高，为降低工程造价，有必要研究一种简单易行的双向稳压塔，要求既能大量溢流，又能及时向管道中补水，以消除水力过渡过程中的压力波动。为此，课题组提出了双管式溢流稳压塔（倒“U”型）。

2 倒“U”型稳压塔结构示意图

倒“U”型稳压塔主要结构由上水竖管、 下水竖管、整流孔板、90°弯头、水平进出水管和空气阀组成，其结构形式见图1 。

其主要工作原理是当管路测压管⑩水头大于上水竖管高程时，在塔顶产生溢流，经下水竖管⑥和水平出水管⑨将水排出溢流塔，达到减小管路压力和大量泄水的目的。

目前国内多采用圆筒式溢流塔，其技术方案是，在塔顶设堰下水室，汇集堰下水流入溢流水道，然后在地面设消力池和排水渠。这种溢流塔上部结构体积庞大、复杂，在高出地面25～55m的情况下，塔身结构复杂，稳定性差，施工难度大,投资多。同时在管路事故关阀后,很难快速泄流。

倒“U”型稳压塔全部采用密闭管道连接，结构简单，施工容易，塔身结构稳定性好，适用于稳压塔塔身高的水系统。不但能及时稳定地释放主管道产生的瞬间高压，同时还可排除主管道系统的大量泄水，确保主管道系统的运行安全。

3 倒“U”型稳压塔的功能及技术特点

3.1 倒“U”型稳压塔的功能

(1) 起到消除水系统管道中的水锤，并可避免二次水锤发生的作用。

(2) 起到向主管道系统补水的作用，防止管道产生真空、拉断的作用。

(3) 起到避免水系统静压超压发生，并可大量泄水的作用。

图1 倒“U”型稳压塔结构示意图

3.2 倒“U”型管的技术特点

（1）整流环的尺寸。整流环的尺寸大小直接影响倒U 型管内流体的流动特性，尺寸太大，起不到减小弯头影响的作用，尺寸太小，容易在整流环后面产生二次流，而且会增加管道内的流动阻力,对垂直管内的流动产生新的影响。通过大量的数值计算反复验证发现，当整流环尺寸为0.8≤d/d0≤ 0.9时，整流作用显著，而且不会对垂直管内的流动产生新的影响。整流环抑制了弯头对流动的影响。

（2）整流环的效果。通过整流环整流后3d～5 d内的距离水流达到稳定，即整流装置对管内单相流动起到了稳定的作用。

（3）整流环的位置。若第一个整流环（消能孔板）太靠近塔顶，容易使管中水充满，影响进气，而导致竖管负压较大。出水竖管的上半部布置一个以上整流环，下半部应布置一个以上整流环。竖管上面第一个整流环应布置在距塔顶溢流水位不超过8m为宜。

（4）塔顶进排气。进气是本溢流塔的一个关键因素，进气量太少，在下水竖管中容易产生负压，会引起空蚀；进气量太多，又会使水平出水管产生水，气两相流，流态不稳，故要严格设定进气孔的大小和数量。

排气的作用主要是考虑起初运行时的排气和正常运行时排除水中溶解的空气。

起初运行时是排除塔内进水流量的等量排气量。正常运行时考虑水中溶解空气量按1.0%～2.0%考虑。

（5）倒“U”型管的循环管。为保证倒“U”型管内水质洁净，应在塔内正常高水位一定深度下设置一根循环管，其上设置一个电动阀门，可定期将上水竖管内的水排放至下水竖管内。

（6）水垫层。为了减少塔顶部溢流的水流对下部的冲击，同时考虑水流跌水至底部后的掺气问题，应在出水竖管底部设置一定深度的水垫层，水垫层的厚度应为溢流高度的1/3～1/4。

考虑出水水平管的流态，避免明满流交替发生，应保证水平出水管顶有一定的淹没深度，其深度应为出水管一倍管径的深度。

（7）倒“U”型管的保温。在寒冷地区，倒“U”型管需做外保温，保温可采用电伴热带和岩棉保温。电伴热带可根据塔内水温的情况自动加热，以保证水不结冰。

4 倒“U”型管稳压塔与传统稳压塔的比较

传统式稳压塔多采用带竖管式稳压塔,其上部中心为圆形溢流池，上水竖管进入溢流池后，通过跌水堰溢流至环形集水槽，然后通过下水竖管排至塔外。大伙房水库输水（二期）工程如果采用带竖管式稳压塔，其上部溢流池仅水的有效容积为2000m3，维护结构的平面尺寸为27m×27m，高出地面50m的水池的重量靠塔体承担，塔体结构复杂。

倒“U”型管结构，维护结构平面尺寸仅为14.5m×14.5m，而且塔体上部仅为DN3000的钢管结构，水的有效容积仅为70m3，其重量由钢管本身承担，维护结构仅承担钢管及自身的稳定，维护结构相对简单。

对于 50m高的稳压塔，倒“U”型管稳压塔工程造价为820万元，传统式带竖管稳压塔工程造价为2146万元，可见，倒“U”型管稳压塔要比传统式稳压塔省近2/3。

5 倒“U”型管稳压塔的应用

倒“U”型管稳压塔已成功应用在大伙房水库输水（二期）工程中，在工程长154.6 km的PCCP管道上共设 6座双向倒“U”型管稳压塔，在实际运行中起到了很好的防水锤、防真空和防静压超压作用，对管道安全运行提供了很好的保障作用。