浅析长距离大流量重力流输水管道设计要点

高小涛 李红帅 朱君妍

（1.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450000；2.华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

1 引言

随着国民经济的迅速发展， 人民生活水平的提高和城镇化建设进程的加快，长距离输水工程日益增多，工程的规模也越来越大，由此带来的技术问题也愈发复杂。 因此，应严把施工、设备及阀门质量，同时输水线路的优化设计是重中之重。

图1 某分水口门供水管线总平面示意图

南水北调中线配套工程某分水口门年均分配水量23990 万m3。 输水主管线起点为分水口门后进水池出口，输水主管道长度为80.2km，管径为3.0m～2.6m。 支线总长30.95km，管径为1.0m～2.4m。主管道设计流量为13.0m3/s，分水口门设计水位为96.05m，加大水位为96.45m，最低控制水位为95.52m。

2 管材选择

随着工程技术、新型材料的发展，我国引进了大量的新型管材和新的生产工艺， 为供水工程管材的选择提供了更多的余地。 目前给水管材有多种， 但大都在钢管（SP）、预应力钢筋混凝土管（PCP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、球墨铸铁管（DIP）、玻璃钢管（GRP）、钢塑复合管等中选择。 各种管材都存在优缺点，其对比详见表1。

从安全方面考虑，钢管、球墨铸铁管，PCCP 管比较安全，特别是在工作压力高，管径大，管线起伏较多的工程中。对于DN1000mm 以上的管径，优先选用预应力钢筒混凝土管（PCCP），球墨铸铁管（DIP）价格较高，钢管要特别注意防腐处理以延长使用寿命[1]。

表1 不同管材不同性能对比表（以工作压力1.0MPa 为例）

本工程供水压力小于1.0MPa， 管线周边工程地质条件较好。 结合附近潜在管材供货厂家情况，并考虑到大口径PCCP 管具有耐久性好、抗震能力强、耐腐蚀性能好、使用寿命长等特点，而且大口径管道价格相对便宜，主管线推荐采用PCCP 管材，管径为DN3000mm 和DN2600mm，支管线管径为DN1400mm、DN1600、DN2400mm， 管材均为PCCP 管材。 管线在穿河、过路等特殊地段采用钢管。

3 管道附属设备设计

输水线路为一条主干线和五个分支管线组成的复杂供水系统，根据供水安全的需要，输水线路沿线设置控制阀、检修阀，进排气阀、放水阀、流量计、调流调压阀、压力变送器、压力表等附属设备。 对整个供水系统的流量、压力进行监测和控制， 有效预防和消除水锤对系统造成的危害，保证供水系统的安全性和可靠性。

3.1 控制阀

输水管道沿线控制阀的设置主要考虑沿线多分枝供水时，某一支线检修不对其他支管线产生影响，因此在主管线上分支口处及支线的起端设置控制阀。 控制阀井内设电动阀门、压力表和压力变送器，阀件仪表信号输送至就近管理房内的控制系统进行控制。 控制阀采用电动蝶阀，阀前阀后分别设置压力表、压力变送器、直径DN3000的蝶阀，采用DN800 半球阀作为控制阀的旁通阀。

3.2 进排气阀

输水管道在启动、检修和正常运行过程中，均需要补气或排气。 在输水线路沿线上坡段、下坡段、长水平段和凸顶点、坡度变陡点等起伏变化部分置进排气阀。 阀门间距按约0.8～1.0km 设置一个， 可以满足管道进排气需求，同时根据过渡过程模拟计算， 在特殊位置适当加密进排气阀可以有效预防水锤。 根据水锤计算成果，管道沿线设置含检修人孔的进排气三通，并配置检修阀和双排气阀。直径3m 的管道，其单个进排气阀均为DN300，直径2.6m的管道，其单个进排气阀均为DN250。

3.3 检修阀

输水主管道长度约80.2km， 属于长距离输水管道工程。 根据规范要求一般每5～10km 设置1 处检修井，在穿越大型河道、铁路、公路处也应考虑设置检修阀，在安装水力控制阀，如减压阀、流量计等阀件的地方也应布置检修阀。 考虑到管道运行、安装、更换的方便，每个检修阀处配套设置可拆式松套传力接头。

3.4 放空阀

放空阀的作用是在检修时，放空部分管段内的水，放空阀一般设置在线路的最低点。 放空阀设计主要考虑放空时间t 及避开管道沿线的农田和建筑物。考虑到放空时水量较大，根据管道的实际布置，在有河流、沟渠的地方设置放空阀， 检修时， 管道中的水就近放至河流或沟渠中。 经综合考虑，直径3m 的管道，放空阀为DN600，直径2.6m 的管道，放空阀为DN500，可以满足管道检修及放空的要求。

3.5 流量计

流量计设置在输水总管进口处及各支管线的末端，以计量管道的输送水量和水厂接收的水量， 为动态控制提供流量数据。

根据国内外流量计生产运行实际， 经比较管道直径大于1.6m 选用超声波流量计，小口径管道选用电磁流量计。 超声波流量计选用五声道及以上， 测量精度等级取0.5 级，不仅可以显示瞬间流量和累计流量，还可以在流量发生超常变化时发出报警。 流量计与自动监控系统联网，自动监控各测量点的流量及变化。 在流量计前的检修井内设置1 台压力变送器，以便监测管道压力，流量计设置旁通阀，可以保证在检修或更换流量计时，输水管道正常运行。

3.6 调节阀

为避免管道产生大幅度的波动， 维持管道出口处恒定流量，保证出口处的压力水头，需要在管道末端设置调节阀。 为了在调节阀检修维护时不断流，需在该位置设旁通管。 在调节前设流量计，通过流量信号对调节阀进行控制。 在调节阀后和流量计前设旁通管。

经过水力过渡过程分析计算， 并结合调流调压阀的生产制造能力， 对于主管径DN2600 的输水管道末端，并联设置调节阀2 个， 阀径均为DN1600， 压力等级PN1.0MPa。支管线管径DN2400，并联设置调节阀2 个，阀径均为DN1600，压力等级PN1.0MPa。 对于沿线分支管线均设置流量调节阀。

4 管线水锤防护

本工程属于重力流输水工程，且属大流量、长距离供水工程，在实际运行过程中，运行工况复杂，在工况切换过程中整个输水系统会发生水力过渡过程现象。 该水力过渡过程不仅持续时间长， 而且将引起管线压力及供水流量发生较大幅度的变化， 严重威胁整个输水系统的供水安全。 因此，对其水力过程进行模拟计算，并采用合理措施进行事故防范是保证本工程安全供水的关键。

4.1 分析计算

采用Bentley.Hammer 水锤分析计算软件进行建模，将沿线输水管道特征参数输入模型。 经过多次模拟分析，最终确保管道在正常运行工况、关阀、开阀、爆管工况下，管道沿线无负压， 管道的最大水锤压力在管道正常压力值范围内。

4.2 水锤安全防护

经过计算分析， 在主管线桩号K32+900 附近设置一座双向调压塔， 断面直径为15.0m， 其顶部高程为101.0m；在桩号K32+900 附近设置一座单向调压塔，断面直径为10.0m，其顶部高程为66.50m；在桩号K68+520 附近设置一座单向调压塔， 断面直径为10.00m， 顶高程为59.81m。

4.2.1 各支线水厂端阀门单独关闭时的防护要求

在各个支线水厂正常运行工况下， 当支线需要停水时， 规划水厂01、02、03、04 支线末端水厂阀门可以较快关闭。 其中规划水厂01 阀门关闭时间应大于50s，规划水厂03 阀门关闭时间应大于42s，规划水厂04 阀门关闭时间应大于50s，规划水厂02 阀门关闭时间应大于40s。 规划水厂05 单独关闭阀门时，水厂阀门的关闭时间应大于420s。

4.2.2 各支线水厂端阀门同时关阀

对于同时关阀工况，为满足各管段的压力控制标准，规划水厂01、02、03、04、05 阀门关闭时间应分别不小于75s、162s、210s、233s、1940s。

4.2.3 各支线水厂端阀门依次开阀

当分水口门进水池为最低水位时， 为确保各管段不出现负压，按先后顺序，规划水厂05、04、03、02、01 末端阀 门 开 阀 时 间 应 分 别 不 小 于3080s、620s、900s、710s、850s。

在输水线路上设置3 座调压塔后， 各支线末端设置调流调压阀，按计算给定的开、关阀规律和时间运行，可有效防护管道正常运行爆管工况下产生的水锤。

5 结论与建议

多分枝长距离供水的关键是流量分配和管网的水锤预防。 在满足供水对象对流量的需求的前提下，进行过渡过程模拟，通过沿线流量调节、自动控制来实现长距离安全输水是本供水设计的关键。

5.1 工程设计应能保证供水安全。尤其对长距离、多分枝管道的水锤计算防护是重点，根据计算成果，沿线应设置排气、检修、调流调压、调压塔等安全措施，保证安全供水。

5.2 工程设计应能满足经济合理、技术可行的要求。管径应能满足过流量需求， 管材应能适合当地的地质条件，交叉管线或穿越建筑物的施工应考虑方案的可行性。

5.3 工程设计中应考虑后期运行维护的方便。 管道建成后运行过程中难免会发生爆管、泄漏情况，或遭到破坏，因此在设计过程中考虑检修道路是非常有必要的。

［1］马俊青，鞠厚磊.南水北调配套工程输水管道设计中问题的探讨［J］.河南水利与南水北调，2011（7）:34-36.