李 玥

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006）

1 工程概况

某大型供水工程位于辽宁省境内，是实现辽宁省东部、西北部及辽河干流地区水资源的优化配置，解决辽西北及辽河干流地区城乡生活、生产、生态缺水问题的大型地表水供水工程，是未来上述地区发展的水源保障，是确保辽西北地区生活稳定、持续发展、改善环境的基础性工程。本工程管道长度约为370 km，管径为DN3200-DN5800，采用预应力钢筒混凝土管（PCCP）。

2 空气阀及井室的设置

空气阀对输水管道安全运行至关重要，压力输水管道排气和进气不畅是管线发生事故的重要原因之一，输水管道中空气的逐渐积累，形成气囊，使水流通道缩小甚至切断，水流受阻，造成系统输水能力下降；另外随着气囊的逐渐增大，管内水流速度和动压不断变化，并可能产生较大的振动甚至水锤，因此必须排除输水管道的空气。

水流在压力输水管线产生空气的来源有三种情况：

a.管线开始充水时管中空气需要排出；

b.管线正常运行时，水中会有溶解的空气随温度的上升或压力下降从管道中析出；

c.由于管线的放空、瞬变流等情况管线出现负压时，空气从外部进入管中；

在输水管道的适当位置设置空气阀是保证输水管线安全、经济运行的一种有效方法。针对上述三种情况可选用空气阀来解决管线中的进、排气问题。空气阀位置的设置部位如下：管线驼峰处、长水平管中间处、长下坡管段、长上坡管段。根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS193：2005）5.3.4 要求，在进排气功能均需要时，阀门直径宜取输水管道直径的 1/5～1/8。

空气阀井在结构设计时考虑空气阀正常进排气的需要，应设置通气孔。由于工程所在地冬季寒冷且持续时间较长，通气孔的设置会直接导致空气阀井内温度的降低，当井内温度低于0℃时,空气阀内的水体会结冰，严重时会因冻胀破坏空气阀引起漏水等事故。

本工程全线共设置空气阀井577 座，通过设计计算，单根PCCP 管上多采用2 个～4 个DN200 的空气阀组合使用。

3 方案比较

寒冷的北方地区，空气阀井的保温与通气一直存在矛盾之处，为了保证工程安全，在此特对空气阀井保温与通气进行深入探讨。

3.1 传统设计方案—木质盖板保温

对于我国北方冬季严寒地区的空气阀井保温设计，在井盖及踏步标准图集S501 上提供了简单的井盖设计方案，其设计方案见图1。

图1 木质盖板剖面图（单位尺寸：cm）

图2 砖砌保温井口

砖砌保温井口见图2，保温井口设置木质及铸铁双层井盖。木制保温井盖形如木制锅盖，为2 个半圆型木板平接，放置时中间留有约10 mm～20 mm 的倾斜缝隙作为气流通道；井口盖板均为铸铁带孔盖板。

上述空气阀井的型式在城市道路上经常可以看到，这种保温方案对于输水量相对较小、气温不太低，停水检修时间短的地区一般可以适用。但对于位于荒郊野外的长距离大流量输水管道来说，存在如下问题：

1）野外气候要比城市内的气候恶劣得多，常年平均最低温度也更低，通透的结构（木质盖板倾斜孔隙及铸铁盖板空洞）致使井内热量在低温季节迅速散失，极易发生空气阀被冻坏的事故，从而导致整条管线无法正常运行。

2）井盖的孔隙均竖直向上暴露在空气中，当雨雪等恶劣天气又遇低温时，孔隙极易被冰雪封堵，使空气阀井室失去进排气功能，从而使空气阀失灵，导致管道无法正常使用。

3）本工程输水管道直径均在DN3200 以上，正常工作时需要的通气量较大。根据不同空气阀设置的位置，通过水力过渡过程计算，管道在正常和极端事故情况下所需的进排气量约为每秒几立方米至上百立方米，依靠上述木质盖板的缝隙和井盖上的小孔根本无法满足进排气量的要求。

井室保温需要尽可能的将井室密闭和绝热，而通气量又要求必须留有足够大的通气孔洞。这一矛盾依靠上述传统的办法已经无法解决。

3.2 优化设计方案—保温膜片

基于传统设计方案无法满足本工程的实际需要，故在初步设计和招标阶段采用了如下设计方案以满足工程需要，空气阀井方案图见图3。

图3 空气阀井方案图

该设计从密闭和绝热两个方面的措施来满足保温要求。井盖采用加厚混凝土密闭结构，通气孔采用深埋钢管并在井内出口处设置保温呼吸器，内置2 个的保温膜片。保温膜片的结构如见图4。

图4 空气阀井方案图

保温膜片的结构是一对法兰片间夹一组特种塑料片，塑料片按特定方向被分割成若干裂口，在需要通气时塑料片可以被空气吹开，在不通气状态能够完全恢复原来形状。该种塑料应在低温下不硬化且有极好的弹性。

该方案的优点是：井室较深且主管道在井内外露，可以向井内散发更多的热量。顶盖进人孔盖板为封闭式（无通气孔洞），通气管进口采用保温膜片，可以在无需通气时密闭，只有通气时才打开，避免了空气对流散热。

该方案的缺点是：由于市场上针对空气阀井保温的设备种类极少，相关设备在国内研究和生产的几乎空白，而该方案中最为重要的保温膜片国内无厂家生产，只有依靠进口。

3.3 推荐设计方案—保温呼吸井盖

经过对国内外大型输水工程空气阀井保温措施的调研，首先提出了空气阀井的结构优化设计，该方案典型设计图见图5。

图5 方案典型设计图

该方案优化的结果是，将原设计采用的“深井”方案改为“浅井”方案，即将管道穿过井壁变为井布置在管道上方的方案，不但节省了大量钢筋混凝土和踏板的工程量，也避免了管道穿墙处理的施工困难。上述方案中吊物孔为实心混凝土结构，下层盖板为木制贴苯板保温结构，吊物孔不具备通气功能。

通气利用专用的保温呼吸井盖，该种井盖是随着输水工程对地下井室保温的需求而出现的，是专用于空气阀井保温和通气的设置。其结构见图6。

图6 保温呼吸井盖结构图

该设备设有双层2 组阀瓣，2 组阀瓣受弹簧和重力控制，在需要排气时上、下阀瓣1 上升，需要吸气时上、下阀瓣2 下降，不需排气时，阀瓣均关闭。阀体和阀座为钢筋混凝土结构、阀瓣为钢板外包保温板。双层结构的阀瓣可以保证在不发生进排气时没有空气对流，起到比保温膜片更好的保温效果。同时考虑到野外环境无人看守的客观条件，要求保温井盖具备防盗功能，只有专用钥匙才能开启。

通过调查，阜新引白供水工程、康平电厂引水工程、沈阳石佛寺引水工程、新民市安全引水工程等的空气阀井就采用了这种保温井盖，从2008 年通水至今，空气阀井的保温情况良好，从未发生空气阀冰冻事故。

4 结论及建议

空气阀作为供水工程不可缺少的附属设备，在各种工程中被广泛应用。文章对空气阀井的各种保温形式进行分析研究，结合其他同类型工程的运行经验，最终在工程中推荐保温呼吸井盖方案作为实施方案，可为该类工程的设计施工提供参考借鉴。