通过调整管道直径来调整压力管道进口水位的方法探讨

通过调整管道直径来调整压力管道进口水位的方法探讨

董亚锋

西安市长安区水利工作队 西安市长安区 710100

石砭峪水库位于西安市南30km，长安区境内秦岭北麓的石砭峪河上。原设计该水库是以灌溉为主，兼防洪、发电效益的综合利用水利工程。主体工程于1979年基本建成，大坝为沥青砼斜墙堆石坝，定向爆破施工。坝高85m，坝顶高程735m，总库容2810万m3，正常蓄水位725m，相应库容2510万m3，兴利库容2435万m3。水库建成后，由于大坝漏裂，一直未能正常蓄水，是全国首批43个中型病险库之一。2001年9月对水库大坝进行了继续除险加固，完成了沥青斜墙上铺防渗土工膜及坝面堆石体灌浆加固处理，现基本达到正常蓄水运行。目前水库的主要任务是向西安城市供水。2005年5月引乾济石调水工程建成通水后，可向石砭峪水库调水4697万m3/年。石砭峪水库作为城市供水备用水源更为可靠，供水能力大大提高。

原石砭峪水库向西安供水工程，是西安市黑河引水一期工程的五个水源工程之一，现为西安市黑河工程应急备用供水水源。原引水渠道长8.4km，其中新建3.65km，改建4.75km，设计流量5m3/s，年供水量3000万m3，主要考虑是在黑河主渠道发生事故期间向西安市临时供水，日供水能力40万吨。工程于1990年8月建成通水。

随着城市供水安全问题日益凸现以及黑河地表水源在西安市区供水中的主导地位日趋增强，增加备用水源的应急供水规模，提高黑河供水体系的安全防范能力，对于应对黑河水源水质及输水干线突发事件、保障西安市区供水安全至关重要。为此，西安市水务管理部门提出了石砭峪供水复线工程这一构想。

石砭峪供水复线工程是为加大原石砭峪水库向西安市供水渠线输水能力而建设的城市安全供水项目。

根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）确定本工程为Ⅲ等中型供水工程，主要建筑物级别为3级。工程区场地地震基本烈度为Ⅶ度，抗震设防烈度为7度。

工程区位于秦岭北麓基岩山区及山前洪积扇群，地势南高北低，相对高差100～150m，由南向北呈台阶递减地形，整个地形有利于工程重力供水。结合工程地形地质条件及已成工程的分布情况，供水管渠线实施方案为：从东西干渠分水闸起，沿西干渠线路至二支渠分水闸处，平行二支渠走向新建供水管渠，从南向北至新环山公路，沿环山公路南侧行至原供水管线处一同穿新环山路，穿过新环山路后管线折向西下穿原供水涵管后分为东西两条支线，东支线平行于原供水管线，由南向北到甫店汇流池，从西南侧接入汇流池。西支线沿环山路北侧至子午镇附近，沿见子河右岸向西北方向汇入见子河分流池。

本工程共建设输水管渠9.9km。其中钢筋砼箱涵0.92km,为原隧洞扩孔。其它为预应力钢筋混凝土管渠。

工程起点为东西干渠分水闸（0+000）。其中0+000～1+133为西干渠改建段，将原浆砌石暗渠增大比降改建为B×H=2m×2.5m的钢筋砼箱涵，输水能力增加到15m3/s。在1+133处将原二支渠分水闸改建为新建管线及二支渠分水闸。1+133～5+816.1段设计流量为10m3/s，其中1+133～3+016段为φ1600预应力砼压力管道，在2+016~2+036设消力池，3+036～5+602.6段为φ1800预应力砼压力管道，5+602.6～5+816.1段为φ1400预应力砼压力管道。5+612.6~5+694为穿新环山公路预埋箱涵段，5+698~5+729为穿原供水管线倒虹，在5+816.1处设东西支线分水闸。从东西支线分水闸（5+816.1）～东7+444.2段为东支线，5+816.1～8+102.9为西支线。东西支线均为φ1400预应力砼压力管道，设计输水流量5m3/s。在入甫店汇流池及见子河分流池前变明渠设进水闸，并在闸室内安装超声波流量计测流。工程概算静态总投资为：7208.08万元。

本次以其中1+133～2+024段为φ1600预应力砼压力管道为例进行论述。该段管道总长度883米，高差48.19米，设计比降0.0546。末端设1600毫米蝶阀一台。

管径选择

D=（4Q/π.υ）0.5

式中  D=计算管径（m）

Q=设计流量（m3/s）

π---圆周率

υ----经济流速（m/s），取5m/s

计算出的管径为1.596m

设计上该段管径采用1600mm

压力管道总水头损失，按下列公式计算：

式中hz——管道总水头损失（m）；

hy——管道沿程水头损失（m）；

hj——管道局部水头损失（m）；局部损失按沿程

水头损失10%计。

压力管道沿程水头损失，可按下列公式计算：

式中  λ——沿程阻力系数；

      L——管段长度（m）；

dj——管道计算内径（m）；

v——管道断面水流平均流速（m/s）；

g——重力加速度（m/s2）

C——谢才系数；

R——断面水力半径

全部采用1600mm管道，管内流速4.98米，水头损失11.75米，末端水压38.18米；

全部采用1400mm管道，管内流速6.5米，水头损失23.95米，末端水压22.08米；

全部采用1200mm管道，管内流速8.8米，水头损失54.50米，末端水压-10.3米；

很显然全部采用1200mm管道无法达到供水要求，设计上采用了全部采用1600mm管道，设计文件指出：为使管道在上述任何流量时都为压力流，避免在过小流量时管道出现无压流，或无压与有压交替，使管道产生气蚀及振动，故在管末端设闸阀，闸阀可使管道在任何流量时都为压力流。但管末端设闸阀后带来以下两种不利后果，闸阀开关过快时，管道会产生较大的水锤压力；当关阀后，管道要承受静水压力，而静水压力相当大，目前厂家生产的预应力钢筋砼压力管最大工作压力1Mpa，达不到此标准。压力大时管道输水不安全，易爆管；且管末端消能问题不好解决。为了实现压力流，设计上最后在消力池前端还是加了一个蝶阀，以保证全管段形成压力流。

   那么，有没有一种办法不加蝶阀或加一个公称压力较小的蝶阀，在管道全段形成压力流呢？我认为可以通过调节水头损失的方式来形成全管道压流。

具体方法如下：仍以这段管道为例说明

将该段管道调整为接近计算直径不同两段管道，这两段管道以计算管径为依据，一个比计算管径小，一个比计算管径大，两段管道直径均符合国家制造标准，采用变径连接，小管径管道布置在下游，大管径管道布置在上游，通过调整两段管道长度的办法，人为将管道前段水位合理调整到前池，

如果采用1400mm管道180米，管内流速6.5米，采用1200mm管道703米，管内流速8.8米，合计水头损失48.27米，末端水压-0.08米。这种情况下，管道内水压力虽然接近于零，管道设计工称压力也可降低，但考虑到小流量供水时前端水位有可能到不了前池，所以继续调整两种管径管道的长度到1400mm管道383米，管内流速6.5米，采用1200mm管道500米，管内流速8.8米，合计水头损失41.25米，末端水压6.94米，再在末端增加一个工作压力小一点的蝶阀。这样设计，既减小了管径，又减小了管道的工程压力，同时蝶阀的公称压力也大为减少，极大地缩减了工程投资。

计算时用平均糙率进行设计计算，用最小糙率（新管）复核前池最低水位，用最大糙率（老管）复核前池最高水位可尽量满足前端水位保持在前池内，以避免对管道的损坏。

说明：原设计局部水头损失按沿程水头损失的10%计算，本文以维持原状。

参考文献：西安市市水利勘测设计院《石砭峪水库向西安供水复线工程初步设计报告》

       水利出版社编《水力学》

      《给排水设计手册》第三册