庐山莲花台水库供水工程的输水管道设计
摘要：结合庐山莲花台水库输水工程，介绍了长距离输水管道系统在正常供水工况时驼峰管段出现负压问题的处理对策和该工程采用增设调节池方案的有关设计要点。
关键词：输水工程,驼峰管段,负压,调节池
1 工程概况
庐山位于江西省北部，长江、鄱阳湖之畔，是国家重点风景名胜区，其主要水源是地处特级 保护区内的芦林湖。由于庐山旅游业的快速发展，生活用水量急剧增加，用水需求已超过了芦林湖的正常供水能力。据测算，至2010年，芦林湖的平均年缺水量将达到97×104 m3 。为保护芦林湖的水质和湖面景观，并满足供水要求，特兴建了莲花台水库供水工程，主要包括一座取水水库、一座取水泵站和一条DN400、长约4.6 km的输水管道。工程设计供水能力为1.22×104 m3/d，流量为0.16 m3/s，将莲花台水库的蓄水输送到芦林湖，以增加芦林湖的蓄水量，提高芦林湖的供水能力。
工程采用2台水泵并联供水(另有1台备用)，水泵设计扬程为1 225 kPa(122.5 m)， 流量为288 m3/h，安装高程为881.6m。取水水库的正常蓄水位为912 m，死水 位为887 m。输水管道进口(即水泵出口)的桩号：-78.5 m，管中心高程：882.3 m，输水管道出口的桩号：4476.33 m，管中心高程：993.02 m，按自由出流设计。整个输水管道系统的总水头损失系数∑R＝1 042.773(这里R＝Δh/Q2，Δh 、Q分别是对应的水头损失和过流量)，其中管道出口附近约600 m管段(含驼峰管段)内 的主要节点参数如表1所示。
表1 输水管道出口附近管段主要节点的有关参数
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注
①表中节点为对应管段的首端节点，出口节点无管段与之相对应。
②内水压力为0是无压流情况，节点内水压力＝节点压力水头-节点管中心高程。
2 驼峰管段的负压问题及其处理对策
2.1 负压问题
根据水泵性能曲线和整个输水管道系统的阻力特性可求得在各种正常供水工况下的 有关参数。其中工况1(水库正常蓄水位，2台泵并联稳定运行)，水泵工作扬程：115 5.5 kPa(115.55 m)，总供水流量为2×327.55=655.1 m3/h，相应的整个输水管道系统的总水头损失为345.3 kPa(34.53 m)；工况2(水库死水位，1台泵稳定运行)，水泵工作扬程： 1 147.6 kPa(114.76m)，总供水流量为329.5 m3/h，相应的整个输水管道系统 的总水头损失为87.4 kPa(8.74 m)。
由表1可见，在输水管道出口附近桩号为4 046.33～4 400.33 m的管段上将出现内水压 力为- 36.0～-57.4 kPa的虹吸现象，无论是1台泵还是2台泵的稳定运行工况下，该负压段均将出现。对于高扬程、长管线供水工程，在正常供水工况下，输水管道沿线不应出现过长的负压管段，否则在突然停泵的工况下可能造成管道外压失稳的破坏事故。
2.2 处理对策
对于长管线供水工程，其输水管道沿线存在一个或多个驼峰管段都是很常见的，但如在正常 供水工况下，驼峰管段内出现较大的负压现象，则必须采用适当的工程措施予以处理，否则将可能危及输水管道的安全运行。应该指出，对于正常供水工况出现的负压问题，常规的在 驼峰管段设置进排气阀的处理方案是不适用的，因为进排气阀在该系统中可能始终处于间歇性补气运行状态，从而导致整个系统无法实现稳定运行。下面简要介绍几种工程设计中常 用的处理对策，并讨论其对于本工程的适用性。
①将驼峰管段在结构上作补强处理，或者将驼峰管段深埋入地下以降低其位置高程而消除负压，这是两种最易于想到也是最易于被接受的处理方案。但对于驼峰管段较长及负压值较大的情况，这两种方案往往都是不经济的，甚至是不可实现的。
②在输水管道出口增设蓄水池，使管出口为淹没出流，从而抬高输水管道沿线的内水压力 。这样，蓄水池内管出口的淹没深度对于本工程应取6.0 m以上，即将蓄水池的设计水位取为999.0 m以上。这一方案适用于输水管道沿线有多个驼峰，而最高驼峰在前部，其他多个驼峰在后部(即离出口较近)，并均出现负压现象的情况。这一方案对于本工程虽然是可行的，但显然是不经济的。
③在输水管道出口增设锥形阀，通过调节其开度增加水头损失，使输水管道的内水压力抬高。这一方案适用于供水流量变化幅度较大的情况，但需增加设备投资，运行维护费用较高，而且对锥形阀的可靠性要求较高，因此本工程也不宜采用。
④将输水管道上出现负压位置后的管道内径缩小，以增加其水头损失，增大负压位置处的内水压力。这一方案应是经济合理的方案，但一般仅适用于出现负压的位置距离管道出口较远的情况，对于本工程显然不合适。
⑤在出现负压的最高驼峰管段上增设一无压调节池，从而使有压输水管道的出口移至最高驼峰管段处，而调节池后的管道按无压自流设计。该方案主要适用于整个输水管道系统的最高驼峰管段出现在管道出口附近，且仅在最高驼峰管段内出现负压，而其后管道不再出现明 显驼峰的情况。该方案正是本工程设计选用的改进方案。
3 调节池设计
3.1调节池的位置选择
输水管道沿线上的最高驼峰出现在桩号为4 046.33～4 332.33 m处，其管段长度为286 m， 管中心高程为998.9～999.0m。考虑到该段管段较长，又基本为水平管段，如果将无压调节 池增设在其首端，则难以保证该管段内水流满足无压自流过水的设计要求。因此将调节池增设在该驼峰管段末端(即将有压输水管道出口改设在桩号4332.33 m处)，从该节点至原方案管道出口处(桩号为4 476.33 m)的144 m管道上有约6.0 m的落差，可以保证其内水流满 足无压自流过水的设计要求。
3.2调节池的设计参数
输水管道上设置了调节池的节点即有压输水管道与无压输水管道的交接点。为保证输水系统安全稳定运行，防止有压输水管道出口水流(最大流速约1.4m/s)间歇性地封堵无压输水 管道进口而产生压力波动现象，特在调节池内将有压管道出口与无压管道进口按空间错位布置，其具体布置与设计参数见图1。考虑到庐山旅游区寸土寸金，因此将调节池布置在地下，另接φ250的通气管以保证调节池为无压水池，通气管的进气口可根据现场地形条件 布置在隐蔽处。
调节池后无压输水管道(DN400)内的水流如按管道平均坡降的均匀明渠流估算，管内最大水深为0.15～0.20 m，1台泵运行时水深为0.10～0.15m。为安全计，本工程取调节池内的设计水位为999.20 m，对应无压输水管道内水深为0.10 m。
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注 ①通气管根据现场地形条件布置；
②图 中高程单位m，其他单位mm。
图1调节池布置图
3.3增设调节池后的稳定运行工况参数
在增设调节池后，整个有压输水管道系统的总水头损失系数∑R=1 011.601，根据水泵 性能曲线和有压输水管道系统的阻力特性可求得本工程改进方案在各种正常供水工况的参数。其中工况1(水库正常蓄水位，2台泵并联稳定运行)，水泵工作扬程为1 178.8 kPa(117.88 m)，总供水流量为2×313.49=626.98 m3/h，相应的整个输水管道系统的总水头损失为30 6.8 kPa(30.68 m)；工况2(水库死水位，1台泵稳定运行)，水泵工作扬程为1194.4 kPa(119.44 m)，总供水流量为304.48 m3/h，相应的整个输水管道系统的总水头 损失为72.4 kPa(7.24m)。
3.4调节池方案的设计要点
①对于驼峰管段较短及正常供水工况负压很小的情况，如果驼峰后的出口管段也较短，则一般在水泵停电时也不致过分加剧负压，此时经论证，可不增设调节池。
②调节池的通气管必须保证有足够的补气能力，不可发生堵塞以确保调节池为无压水池，确保实现输水管道有压流向无压流的交接。
③为了保证调节池前部输水管道始终处于有压流状态，以避免发生明、满流交替现象，有压输水管道出口在调节池内应能始终保持淹没出流状态。
④调节池的蓄水容积不宜太小，以免池内水位出现过大的涌动翻滚现象，从而避免有压输水管道内出现压力波动甚至明、满流交替现象，并确保无压输水管道进口不出现间歇性的封堵现象。这也正是本工程增设调节池，而不是简单地在相同位置增设进排气管的主要原因。
⑤调节池后部无压输水管道内的流速不宜过大，以免管内发生空化、空蚀现象。无压输水管道的出口流速不应对出口外流道产生过大冲刷，同时建议该流道作混凝土衬砌处理。无压管道沿线一般应按缓坡布置设计，而且沿线坡降最好不出现过大的变化。如果无压管道沿线存在急坡段，则应论证在出现急坡水跃时会不会导致管内间歇性明、满流现象，以免出现管道振动问题，如能确保管内水跃始终为无压流状态，则这种水跃有时可用其作为一种消能的良好措施。
⑥对于长管线输水管道系统，调节池一般只考虑在控制性高程的驼峰管段上设置。
4 进排气管的设计
本工程改进方案为使调节池附近的管中心高程为999.0 m的管段内在突然停泵的过渡过程中不出现过大的负压现象，特在最高驼峰管段的首端(桩号4 046.33 m)，设置了φ250的进排气管，其进气口高程取为1 002.0 m，进气口位置可根据现场地形条件布置在隐蔽处。
设置进排气管的目的是为了利用其在水泵启动时的排气作用和在水泵正常停机或失电工况时的补气作用，而不是用其解决输水管道在正常供水工况下的负压问题。进排气管的功用与进排气阀类似，但比进排气阀更经济、可靠。由于进排气管不宜太高，故只能设置在正常运行工况下内水压力较小的管段上，即一般只宜设置在有压管道出口附近管段上。对于输水管道中、前部位的某些局部驼峰管段，即使其在正常运行工况时的内水压力较小，一般也不宜设置进排气管，以免在水泵开启时进排气管内出现过大的水位波动甚至溢流。
5 进排气阀的设计
进排气阀的设计主要依据整个输水管道系统的水力过渡过程计算分析。
本工程在桩号：-28.0,209.50,401.34,654.30,868.32,1 055.14,1 218.84,1 399 .84,2 195.71,3 740.33,3 888.33 m等处共设置了11台进排气阀。
6 结语
长管线供水工程的输水管道设计布置涉及多方面的因素，一般需经多方案的比较分析才能确定最佳的设计方案。不同的设计方案有时对水泵选型、工程投资、工程运行的经济性和安全靠性都会有很大的影响。针对庐山莲花台水库供水工程的输水管道系统的有关特点，介绍在正常供水工况下驼峰管段出现负压问题时采用增设无压调节池方案的设计实例和设计点以及进排气管、进排气阀的设计布置情况。实际运行情况表明，上述设计方案是合理、可行的，可供其他类似工程设计参考应用。
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