张志平

(忻州市水利勘测设计院， 山西 忻州　034000)



浅析忻州市长距离有压重力输水设计有关问题

张志平

(忻州市水利勘测设计院， 山西 忻州034000)

本文以忻州市岢岚县新建北川灌区工程输水管线设计为实例，初步总结忻州市境内利用地形高差，采用有压重力输水工程的情况，分析了输水管道设计中管线布置、管材选取、管径的确定方法，以及应采取的安全工程措施，可为今后忻州市类似工程提供借鉴。

有压重力输水； 工程设计； 忻州市

1　概　况

忻州市地处山西省北中部，西隔黄河与陕西、内蒙古相望，东临太行与河北相邻，北接长城连接大同、朔州，南跨石岭直通省会太原，现辖1区1市12县，境内山地较多，全市面积为2.55万km2，其中平原0.27万km2，约占10.5%，丘陵0.92万km2，约占36%，山地1.36万km2，约占53.5%。境内有黄河、汾河、滹沱河、桑干河等河流通过，全市范围属温带大陆性季风气候,四季分明,春季多风,夏季多雨,秋季气爽, 春冬季少雨雪，年内降水分配不均，主要集中在7、8、9三个月。多数县、区十年九旱，仍未摆脱靠天吃饭的局面，给广大城乡居民生活和工农业生产造成不利的影响，严重制约我市社会经济的正常发展。

针对目前灌区严重缺水而水源地有限，水资源得不到充分利用的现状，在加快灌区节水改造，提高灌溉水利用率的同时，根据忻州地区用水点与水源地分布的地形特点，利用地形高差，采用有压重力输水方式，兴建输水管道调水不失为技术可行、经济合理的解决方案，这样可从根本上改变水资源时空分配不均的现状。开源节流并举，缓解水资源供求矛盾，保障当地群众生活、生产用水，发展当地经济。

2　工程设计

岢岚县位于忻州地区西南部，地处晋西北高寒干旱山区，是传统的农业县，境内岚漪河流域北川河支流下游的北川盆地是全县的主要粮油生产基地，有平川耕地3.7万亩，人口2.16万，分别占全县平川耕地和总人口的56.1%和25.7%，区内降水稀少，旱灾频繁，农业产值低而不稳。而北川河上游有长年不断的基流，流量可达0.34m3/s，由于受地质构造影响，水流在水门——新民段全部渗入地下，下游无法利用。因此，引水到北川，是改变水资源时空分配不均现状，缓解供水矛盾，保障当地群众生活、生产用水，促进岢岚县农业经济发展的民生工程。

岢岚县新建北川灌区工程输水管线由岔上引水工程通过压力钢管将上游清泉水经水门、新民、团城子、神堂坪引至北川。输水管线全长14.676km，输水管道工程为集大落差、长距离、复杂地形于一体的重力流管道输水工程，起点管底高程为1798.50m，终点地面高程为1457.01m，总地形高差为341.49m，最大引水流量为0.34m3/s，分别采用Dg426、Dg478两种规格有压螺旋焊缝钢管输水。灌区建成后，可使北川盆地3.234万亩农田得到适时灌溉，同时解决9个村6000多人的饮水问题。目前已有万亩良田引用该工程灌溉水做膜下滴灌，粮食、蔬菜产量增长明显。

2.1管道布置

选定合理的管线，是输水管道设计中首要的工作。输水管线定线时，应尽量缩短管线的长度，减少拆迁，少占良田，少毁植被，保护环境，保证供水安全； 应选择最佳的地形和地质条件，尽量沿现有道路敷设，以便于施工和检修；管线尽量减少与铁路、公路和河流交叉；避开易滑坡和河流淹没等冲刷地区，以降低造价和便于施工、维护及管理。

2.2管材的确定

在输水管道工程中，管道投资占总投资的比重很大，因此对管材的选择应根据工程的具体情况，做出安全、技术、经济等多方面分析比较。不同管材对工程的适应特性，能否充分发挥管道的最大优点，确保工程投资少，管道运行安全可靠，管理方便，运行成本低，施工便捷，需综合考虑后确定。岢岚县新建北川灌区工程输水管线所经之处，山川并列，梁峁绵延，沟壑纵横，支离破碎，地质条件差，且距离长，故管材选用了工程安全性强，管道综合造价适中，性能比较好的螺旋焊缝钢管，并对其进行防腐处理，外防腐采用环氧煤沥青，内防腐采用IPN8710漆。内壁经过防腐处理，不仅耐腐蚀性大幅提高，而且管内水力特性大为改善。

2.3管径的确定

确定合理的管径，是输水管道设计中一项十分重要的工作。对同一种重力输水的管材，水头损失随管径增大而减小，可利用水头高，但管道投资亦随之增大;相反管径减小，水头损失增大，可利用水头就小，管道投资亦之随减小。

如何确定合理的管径，可采用管道设计流速来控制。重力输水应充分利用地形高差，使通过设计流量所采用的管径最小，经济效益最佳。一般压力输水管道的设计流速不宜大于3m/s且不宜小于0.6m/s，在满足输水要求下，应尽量选择小管径。

2.4有压重力输水管线设计中应研究的安全工程措施

2.4.1避免地形因素的不利影响

有压重力输水受地形因素影响较大，管线布置应避免高差变化过大，导致管道承压过高，工程造价增加，影响运行安全；同时亦应避免管线敷设在水力坡降以上，造成管线产生负压，导致出现管道吸瘪的现象。

2.4.1.1避免静水压力过大，管道承压过高

长距离、地形复杂、高差起伏较大，重力流输水其静水压力过大，应考虑根据地形采取多级减压，合理把管线划分成几个压力区段，降低管道承压，控制每段管道的最高工作压力，从而保证管道运行的安全性和经济的合理性。

2.4.1.2避免管线敷设在水力坡降以上，产生负压

通过测压管水头计算找出预选管线中在设计流量过流时，产生负压的管段，采取相应的工程技术措施消除负压影响。在该工程设计中采取了以下几种比较可行、有效的工程技术措施。

a.降低该段管道高程：重新选择管道线路或管道深埋，降低该段管道安装高程，使其测压管水头为正值。

b.调整管道直径：通过增大该段管道直径，减少沿程水头损失值。

c.管道分段：在适当地点修建调节池，将管道分段，使前段管道的设计引流量大于后段管道的设计引流量。

d.设置排气阀：使管道在产生水锤时空气可自动进入，从而避免产生负压。

另外，长距离引水管道需翻越许多大小山脊，在山脊处必须设置排气阀，若山脊处排气设施被忽略，将直接危及引水管道的正常运行。原因是山脊段管道内的空气无法排出而产生气阻，减小管道实际过水断面面积，破坏其管道内水流的连续性，降低输水能力，严重时甚至不能引水。合理确定管道排气阀，可防止因管道的汽蚀和振动而影响管道输水安全。

2.4.2降低水锤破坏

水锤破坏是造成输水管道工程事故的主要原因之一。水锤现象是在压力管道中因流速剧烈变化，而产生一系列的压力交替变化的水力撞击现象。通过机械波的形式传递，水锤的大小和水锤波的波速成正比。水锤常因阀门的关闭、意外积气、误操作等原因产生。

因此，对于长距离管道输水，水锤危害往往由多种因素引起，难以控制，需综合考虑采取多重安全保护措施，确保整个输水管线长期、安全运行。

2.4.2.1安装排气阀

断流弥合水锤对长距离管道输水的危害极大，在工程设计中，通常应根据输水管线的实际情况布设一定数量的排气阀，即在驼峰处及水平段每隔500～1000m处布设，避免水柱弥合水锤产生破坏，保证输水管道安全。

2.4.2.2设置减压池

通过设置减压池对距离长、地形落差大的有压重力管道输水系统进行压力分级，可有效控制每段管道的最高工作压力和管道的长度，降低水锤破坏。

减压池对于改善长距离、高落差的有压重力输水管线工作环境非常必要，既满足了管道正常水压的需求，降低静水、动水压力，降低水锤发生的概率，保证管路正常运行，又减少了工程造价。

2.4.2.3设置自动泄压阀

在管道上设置泄压阀，可在发生水锤段管道压力超过设定值时，超压泄压阀自动打开进行泄压，有效地卸掉超压部分压力，从而避免局部突发超压造成水锤爆管事故。泄压后，降低阀后管道的运行工作压力，保证管道在发生水锤时，减缓水在管道系统中流速的变化，降低机械波的传递速度，这样管道因为事故而产生的压力变化就会减弱，水锤影响就会得到控制。

针对有压重力输水管线设计过程中需注意的几点问题，岢岚新建北川灌区引水管线工程，从安全角度出发，采取了多重安全保护措施，以确保输水管线的正常运行。

为了确保输水管线的正常运行，在输水管线桩号8+805山顶鞍部处建一座5万m3水池，沿线设4座千方水池，对处于高压的管道进行分级减压，降低管道承受的压力，控制每段管道的最高工作压力，改善了管道的运行环境，确保了管道的安全，同时又起到了调蓄作用，避免因上游管道检修和源头水量变化给生产、生活带来不便，保证稳定的供水。

另外，为了便于5万m3水池在运行过程中清淤，在水池旁布设旁通管，保证水池清淤检修时，不影响正常输水，并在水池上游节制阀前配DN200、压力1.6MPa自动泄压阀，泄压调压压力为1.2MPa，有效地降低阀后管道的运行工作压力，保证管道在发生水锤时安全运行。

该引水管线工程途经许多大小山脊，在压力管道的凸起点上，共设置12个自动进排气阀，排除管内集聚的空气，并在管道需要检修、放空时吸入空气，保持排水通畅。

通过以上多重工程措施的保护，使整条管线的运行安全得以保证。输水管道经过两年的运行，没有出现事故，运行正常。

3　结　语

在岢岚县新建北川灌区工程中，输水管道投资占整个工程总投资的绝大部分比重，管材、管径及工作压力的选取必须从工程规模、重要性、地形地质等方面综合考虑，进行技术、安全、经济对比分析确定，许多技术及安全措施还有待更深入地研究和提高，不断总结经验，使设计更趋完善，以期为今后忻州市及其他地区类似有压重力输水工程方案的选择提供工程依据。

CECS 193：2005城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程[S].北京：中国计划出版社，2006.

Analysis on related issues of long-distance pressure gravity water conveyance design in Xinzhou

ZHANG Zhiping

(XinzhouWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Xinzhou034000,China)

In the paper, the design of Beichuan Irrigation Area Project water conservancy pipeline newly constructed in Xinzhou Kelan County is adopted as an example. Pressure gravity water conveyance project condition by applying terrain elevation difference in Xinzhou is preliminarily summarized. The pipeline layout, pipe material selection and the determination methods of pipe diameter in water conveyance pipeline design, as well as the safety project measures that should be adopted are analyzed, thereby providing reference for similar projects in Xinzhou in the future.

pressure gravity water conveyance; engineering design; Xinzhou

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.01.010

TV672+.2

A

1005-4774(2016)01-0031-03