溝管道引水工程設計方案探討

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[摘要]大西溝引水管道總水頭落差大、距離長、單級靜水壓力大、消能閥上、下游壓差大、冬季氣溫低、上游河道總輸砂量大、壓力分區多，致使輸水系統聯動復雜，設計難點比較突出。本文針對以上設計難點分別提出了設計方案。

[關鍵詞]總水頭落差大；單級靜水壓力大；上、下游壓差；設計難點

1工程概況

大西溝管道引水工程所在地為新疆維吾爾自治區烏魯木齊河流域低山丘陵地區。工程主要由取水首部（引水涵洞、壓力前池、壓力管道和水質預處理廠）、引水管道及消能減壓設施組成[1]。本工程引水管線最大引水流量為12.73m3/s。線路落差為656m，采用4級壓力分區，每級管道后部均接消能減壓設施，各級引水管道管材采用PC⁃CP管+球墨鑄鐵管組合方案，靜壓小于等于1.0MPa采用PCCP管，大于1.0MPa采用球墨鑄鐵管。（1）第一級引水管道。長10534m，最大靜水壓力156m，管徑2.4m，其中一級0+000~一級6+800為PCCP管道，一級6+800~一級10+534采用球墨鑄鐵管。（2）第二級引水管道。長13958m，最大靜水壓力175m，管徑2.4m，其中二級0+000~二級9+645為PCCP管道，二級9+645~二級13+958采用球墨鑄鐵管。（3）第三級引水管道。長7590m，最大靜水壓力152m，管徑2.2m，其中三級0+000~三級5+000為PCCP管道，三級5+000~三級7+590采用球墨鑄鐵管。（4）第四級及尾部引水管道。管道長度分別為8530m和1432m，最大靜水壓力分別為173m和26m，管徑2.2m，其中四級0+000~四級4+500及尾0+000~尾1+432為PCCP管道，四級4+500~四級8+530采用球墨鑄鐵管，尾部引水管道末端設置檢修閥室。該工程為Ⅱ等大（2）型城市供水工程，主要由取水首部、引水管道及消能減壓穩壓設施組成。管道最大引水流量為12.73m3/s，最小引水流量為1.00m3/s[2]。

2工程設計難點

（1）管道沿線總水頭落差656m，落差大。（2）單級管道靜水壓力均在150m以上，設計壓力大；消能閥上、下游壓差比為58∶1，設計壓差大。（3）冬季氣溫低，極端最低氣溫-35.2℃，凍土深度1.62m。（4）上游河道總輸砂量為6.5萬t，輸砂量大。（5）引水管道壓力分區多，全線分4級壓力分區，輸水管道長43.2km致使輸水系統聯動復雜[3]。

3工程設計方案

設計人員針對工程設計難點在工程布置時采取了相應的設計方案。（1）針對總水頭落差大656m，采用4級壓力分區。單級靜水壓力最大175m，考慮水錘壓力后控制工況的設計壓力為230m，其余單級靜水壓力均在150m以上。本工程單級管道靜水壓力遠遠大于遼寧省大伙房輸水工程（單級壓力分區靜水頭60m以內）、山西省萬家寨引黃工程（單級壓力分區靜水頭80m以內）等國內代表性工程，目前僅有新疆阿拉山口供水工程壓力分區控制在靜水頭178m以內，但其單級壓力分區178m的管道長度僅為930m，管徑僅為0.8m，其余長距離的分段靜水頭均在120m和140m左右。本工程單級靜水壓力分區在國內同類工程中名列前茅。（2）針對單級靜水壓力高175m，選擇了合適的管材。在國內首次在設計流量12.73m3/s，工作壓力230m（2.3MPa）工況下選擇DN2400的K9球墨鑄鐵管，并結合PCCP管解決了大流量、高水頭、長距離輸水管道管材選擇的難題。每級引水管道都由預應力鋼筒混凝土管（以下簡稱PCCP管）+球墨鑄鐵管組成，靜水壓力小于等于1.0MPa采用PCCP管，大于1.0MPa采用球墨鑄鐵管，一級和二級管徑為2.4m，三級和四級管徑為2.2m。（3）針對管道末端高水頭、高壓差比（58∶1）選擇了安全有效的消能方式。每級管道末端均采用高壓差多級消能淹沒式調節閥，一級和二級消能閥設置4臺，采用2大2小，檢修閥對應管徑分別為1.1、0.8m；三級和四級消能閥設置3臺，采用2用1備，檢修閥對應管徑為1.1m。該閥消除靜水壓力175m水頭目前在國內是首例工程，也是新疆第一個采用高壓差（58∶1）多級消能淹沒式調節閥解決消能水頭高、閥前閥后壓差大難題的工程[3]。（4）針對冬季氣溫低，全線輸水管道均為地埋，相應建筑物均進行保溫，相關閥門采用防凍型閥門。在新疆第一個采用防凍型進排氣閥，至今運行良好。全線共設置進排氣閥77組（154個，每組2個DN200），平均700m設置一個。進人孔結合進排氣閥布置，進排氣閥放置在閥房內，進人孔布設在鎮墩內管道頂部，進人孔直徑為700mm，閥房結合鎮墩布置。（5）針對上游河道總輸砂量大，在取水首部的壓力前池前設置圓中環沉砂池，利用圓中環沉砂池處理大量的推移質和大顆粒懸移質，處理后的水流入壓力前池，通過壓力前池的回轉式攔污柵處理水表層的漂浮物，最后將水引入水質預處理廠對來水的渾濁度進行預處理，處理后的水指標達到100~500NTU以內才引入下游管道，這樣大大減小泥砂對管道和閥門的磨損。（6）針對壓力分區多、輸水距離長致使輸水系統聯動復雜，本工程首先在每級分區首部設置一定容積的穩壓池，穩壓池的容積用5min的引水量控制，給輸水系統聯動留出充裕時間，其次制定詳細的輸水系統操作流程，并研制相應操作平臺，實現自動化遠程控制，少人監管模式。

4結語

本工程的水力過渡過程計算成果、水錘綜合防護措施、在輸水管道適當位置設置不同類型空氣閥的方法在同類工程中具有代表性。針對工程的特點和難點所采用的設計方案兼具先進性和實用性，具有良好的推廣和應用前景，可以為解決類似工程設計難題提供參考。

參考文獻

[1]新疆水利水電勘測設計研究院.大西溝管道引水工程初步設計報告［R］.烏魯木齊：新疆水利水電勘測設計研究院，2014.

[2]李江，鄒世平，金波.長距離輸水管道設計與安全防護關鍵技術［M］.南京：河海大學出版社，2020.

[3]張玲.烏魯木齊市大西溝管道引水工程水錘防護設計［J］.水利水電技術，2016（3）：36-38.

作者：張玲 單位：新疆水利水電勘測設計研究院