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廬山蓮花臺(tái)水庫(kù)供水工程的輸水管道設(shè)計(jì)
摘要:結(jié)合廬山蓮花臺(tái)水庫(kù)輸水工程,介紹了長(zhǎng)距離輸水管道系統(tǒng)在正常供水工況時(shí)駝峰管段出現(xiàn)負(fù)壓?jiǎn)栴}的處理對(duì)策和該工程采用增設(shè)調(diào)節(jié)池方案的有關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:輸水工程駝峰管段負(fù)壓調(diào)節(jié)池
1工程概況
廬山位于江西省北部,長(zhǎng)江、鄱陽(yáng)湖之畔,是國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)景名勝區(qū),其主要水源是地處特級(jí)保護(hù)區(qū)內(nèi)的蘆林湖。由于廬山旅游業(yè)的快速發(fā)展,生活用水量急劇增加,用水需求已超過了蘆林湖的正常供水能力。據(jù)測(cè)算,至2010年,蘆林湖的平均年缺水量將達(dá)到97×104m3。為保護(hù)蘆林湖的水質(zhì)和湖面景觀,并滿足供水要求,特興建了蓮花臺(tái)水庫(kù)供水工程,主要包括一座取水水庫(kù)、一座取水泵站和一條DN400、長(zhǎng)約4.6km的輸水管道。工程設(shè)計(jì)供水能力為1.22×104m3/d,流量為0.16m3/s,將蓮花臺(tái)水庫(kù)的蓄水輸送到蘆林湖,以增加蘆林湖的蓄水量,提高蘆林湖的供水能力。工程采用2臺(tái)水泵并聯(lián)供水(另有1臺(tái)備用),水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為1225kPa(122.5m),流量為288m3/h,安裝高程為881.6m。取水水庫(kù)的正常蓄水位為912m,死水位為887m。輸水管道進(jìn)口(即水泵出口)的樁號(hào):-78.5m,管中心高程:882.3m,輸水管道出口的樁號(hào):4476.33m,管中心高程:993.02m,按自由出流設(shè)計(jì)。整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失系數(shù)∑R=1042.773(這里R=Δh/Q2,Δh、Q分別是對(duì)應(yīng)的水頭損失和過流量),其中管道出口附近約600m管段(含駝峰管段)內(nèi)的主要節(jié)點(diǎn)參數(shù)如表1所示。
表1輸水管道出口附近管段主要節(jié)點(diǎn)的有關(guān)參數(shù)
節(jié)點(diǎn)樁號(hào)(m)節(jié)點(diǎn)管中心高程(m)管段長(zhǎng)度(m)原輸水管道布置情況增設(shè)調(diào)節(jié)池后情況
工況1
工況2工況1工況2
壓力水頭(kPa)內(nèi)水壓力(kPa)壓力水頭(kPa)內(nèi)水壓力(kPa)壓力水頭(kPa)內(nèi)水壓力(kPa)壓力水頭(kPa)內(nèi)水壓力(kPa)
3740.33962.11150.409972.8351.79941.0319.910021.6401.09999.0377.9
3888.33988.90158.419961.372.39938.049.010011.0122.09996.5107.5
4046.33999.00102.009954.0-36.09936.0-53.810004.3143.09994.94.9
4148.33999.00102.009946.6-43.49934.3-55.79997.57.59993.33.3
4250.00999.0082.029940.6-49.49932.8-57.29992.12.19992.02.0
4332.33998.9068.049935.7-53.39931.6-57.49992.03.09992.03.0
4400.33996.6276.139930.2-36.09930.2-36.09966.009966.20
4476.339923.020.009930.209930.209930.209930.20
注①表中節(jié)點(diǎn)為對(duì)應(yīng)管段的首端節(jié)點(diǎn),出口節(jié)點(diǎn)無(wú)管段與之相對(duì)應(yīng)。②內(nèi)水壓力為0是無(wú)壓流情況,節(jié)點(diǎn)內(nèi)水壓力=節(jié)點(diǎn)壓力水頭-節(jié)點(diǎn)管中心高程。
2駝峰管段的負(fù)壓?jiǎn)栴}及其處理對(duì)策2.1負(fù)壓?jiǎn)栴}
根據(jù)水泵性能曲線和整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的阻力特性可求得在各種正常供水工況下的有關(guān)參數(shù)。其中工況1(水庫(kù)正常蓄水位,2臺(tái)泵并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行),水泵工作揚(yáng)程:1155.5kPa(115.55m),總供水流量為2×327.55=655.1m3/h,相應(yīng)的整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失為345.3kPa(34.53m);工況2(水庫(kù)死水位,1臺(tái)泵穩(wěn)定運(yùn)行),水泵工作揚(yáng)程:1147.6kPa(114.76m),總供水流量為329.5m3/h,相應(yīng)的整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失為87.4kPa(8.74m)。由表1可見,在輸水管道出口附近樁號(hào)為4046.33~4400.33m的管段上將出現(xiàn)內(nèi)水壓力為-36.0~-57.4kPa的虹吸現(xiàn)象,無(wú)論是1臺(tái)泵還是2臺(tái)泵的穩(wěn)定運(yùn)行工況下,該負(fù)壓段均將出現(xiàn)。對(duì)于高揚(yáng)程、長(zhǎng)管線供水工程,在正常供水工況下,輸水管道沿線不應(yīng)出現(xiàn)過長(zhǎng)的負(fù)壓管段,否則在突然停泵的工況下可能造成管道外壓失穩(wěn)的破壞事故。2.2處理對(duì)策對(duì)于長(zhǎng)管線供水工程,其輸水管道沿線存在一個(gè)或多個(gè)駝峰管段都是很常見的,但如在正常供水工況下,駝峰管段內(nèi)出現(xiàn)較大的負(fù)壓現(xiàn)象,則必須采用適當(dāng)?shù)墓こ檀胧┯枰蕴幚恚駝t將可能危及輸水管道的安全運(yùn)行。應(yīng)該指出,對(duì)于正常供水工況出現(xiàn)的負(fù)壓?jiǎn)栴},常規(guī)的在駝峰管段設(shè)置進(jìn)排氣閥的處理方案是不適用的,因?yàn)檫M(jìn)排氣閥在該系統(tǒng)中可能始終處于間歇性補(bǔ)氣運(yùn)行狀態(tài),從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。下面簡(jiǎn)要介紹幾種工程設(shè)計(jì)中常用的處理對(duì)策,并討論其對(duì)于本工程的適用性。①將駝峰管段在結(jié)構(gòu)上作補(bǔ)強(qiáng)處理,或者將駝峰管段深埋入地下以降低其位置高程而消除負(fù)壓,這是兩種最易于想到也是最易于被接受的處理方案。但對(duì)于駝峰管段較長(zhǎng)及負(fù)壓值較大的情況,這兩種方案往往都是不經(jīng)濟(jì)的,甚至是不可實(shí)現(xiàn)的。②在輸水管道出口增設(shè)蓄水池,使管出口為淹沒出流,從而抬高輸水管道沿線的內(nèi)水壓力。這樣,蓄水池內(nèi)管出口的淹沒深度對(duì)于本工程應(yīng)取6.0m以上,即將蓄水池的設(shè)計(jì)水位取為999.0m以上。這一方案適用于輸水管道沿線有多個(gè)駝峰,而最高駝峰在前部,其他多個(gè)駝峰在后部(即離出口較近),并均出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象的情況。這一方案對(duì)于本工程雖然是可行的,但顯然是不經(jīng)濟(jì)的。③在輸水管道出口增設(shè)錐形閥,通過調(diào)節(jié)其開度增加水頭損失,使輸水管道的內(nèi)水壓力抬高。這一方案適用于供水流量變化幅度較大的情況,但需增加設(shè)備投資,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高,而且對(duì)錐形閥的可靠性要求較高,因此本工程也不宜采用。④將輸水管道上出現(xiàn)負(fù)壓位置后的管道內(nèi)徑縮小,以增加其水頭損失,增大負(fù)壓位置處的內(nèi)水壓力。這一方案應(yīng)是經(jīng)濟(jì)合理的方案,但一般僅適用于出現(xiàn)負(fù)壓的位置距離管道出口較遠(yuǎn)的情況,對(duì)于本工程顯然不合適。⑤在出現(xiàn)負(fù)壓的最高駝峰管段上增設(shè)一無(wú)壓調(diào)節(jié)池,從而使有壓輸水管道的出口移至最高駝峰管段處,而調(diào)節(jié)池后的管道按無(wú)壓自流設(shè)計(jì)。該方案主要適用于整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的最高駝峰管段出現(xiàn)在管道出口附近,且僅在最高駝峰管段內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓,而其后管道不再出現(xiàn)明顯駝峰的情況。該方案正是本工程設(shè)計(jì)選用的改進(jìn)方案。
3調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)3.1調(diào)節(jié)池的位置選擇輸水管道沿線上的最高駝峰出現(xiàn)在樁號(hào)為4046.33~4332.33m處,其管段長(zhǎng)度為286m,管中心高程為998.9~999.0m??紤]到該段管段較長(zhǎng),又基本為水平管段,如果將無(wú)壓調(diào)節(jié)池增設(shè)在其首端,則難以保證該管段內(nèi)水流滿足無(wú)壓自流過水的設(shè)計(jì)要求。因此將調(diào)節(jié)池增設(shè)在該駝峰管段末端(即將有壓輸水管道出口改設(shè)在樁號(hào)4332.33m處),從該節(jié)點(diǎn)至原方案管道出口處(樁號(hào)為4476.33m)的144m管道上有約6.0m的落差,可以保證其內(nèi)水流滿足無(wú)壓自流過水的設(shè)計(jì)要求。3.2調(diào)節(jié)池的設(shè)計(jì)參數(shù)輸水管道上設(shè)置了調(diào)節(jié)池的節(jié)點(diǎn)即有壓輸水管道與無(wú)壓輸水管道的交接點(diǎn)。為保證輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行,防止有壓輸水管道出口水流(最大流速約1.4m/s)間歇性地封堵無(wú)壓輸水管道進(jìn)口而產(chǎn)生壓力波動(dòng)現(xiàn)象,特在調(diào)節(jié)池內(nèi)將有壓管道出口與無(wú)壓管道進(jìn)口按空間錯(cuò)位布置,其具體布置與設(shè)計(jì)參數(shù)見圖1??紤]到廬山旅游區(qū)寸土寸金,因此將調(diào)節(jié)池布置在地下,另接φ250的通氣管以保證調(diào)節(jié)池為無(wú)壓水池,通氣管的進(jìn)氣口可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件布置在隱蔽處。調(diào)節(jié)池后無(wú)壓輸水管道(DN400)內(nèi)的水流如按管道平均坡降的均勻明渠流估算,管內(nèi)最大水深為0.15~0.20m,1臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)水深為0.10~0.15m。為安全計(jì),本工程取調(diào)節(jié)池內(nèi)的設(shè)計(jì)水位為999.20m,對(duì)應(yīng)無(wú)壓輸水管道內(nèi)水深為0.10m。
注①通氣管根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件布置;②圖中高程單位m,其他單位mm。圖1調(diào)節(jié)池布置圖3.3增設(shè)調(diào)節(jié)池后的穩(wěn)定運(yùn)行工況參數(shù)在增設(shè)調(diào)節(jié)池后,整個(gè)有壓輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失系數(shù)∑R=1011.601,根據(jù)水泵性能曲線和有壓輸水管道系統(tǒng)的阻力特性可求得本工程改進(jìn)方案在各種正常供水工況的參數(shù)。其中工況1(水庫(kù)正常蓄水位,2臺(tái)泵并聯(lián)穩(wěn)定運(yùn)行),水泵工作揚(yáng)程為1178.8kPa(117.88m),總供水流量為2×313.49=626.98m3/h,相應(yīng)的整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失為306.8kPa(30.68m);工況2(水庫(kù)死水位,1臺(tái)泵穩(wěn)定運(yùn)行),水泵工作揚(yáng)程為1194.4kPa(119.44m),總供水流量為304.48m3/h,相應(yīng)的整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的總水頭損失為72.4kPa(7.24m)。3.4調(diào)節(jié)池方案的設(shè)計(jì)要點(diǎn)①對(duì)于駝峰管段較短及正常供水工況負(fù)壓很小的情況,如果駝峰后的出口管段也較短,則一般在水泵停電時(shí)也不致過分加劇負(fù)壓,此時(shí)經(jīng)論證,可不增設(shè)調(diào)節(jié)池。②調(diào)節(jié)池的通氣管必須保證有足夠的補(bǔ)氣能力,不可發(fā)生堵塞以確保調(diào)節(jié)池為無(wú)壓水池,確保實(shí)現(xiàn)輸水管道有壓流向無(wú)壓流的交接。③為了保證調(diào)節(jié)池前部輸水管道始終處于有壓流狀態(tài),以避免發(fā)生明、滿流交替現(xiàn)象,有壓輸水管道出口在調(diào)節(jié)池內(nèi)應(yīng)能始終保持淹沒出流狀態(tài)。④調(diào)節(jié)池的蓄水容積不宜太小,以免池內(nèi)水位出現(xiàn)過大的涌動(dòng)翻滾現(xiàn)象,從而避免有壓輸水管道內(nèi)出現(xiàn)壓力波動(dòng)甚至明、滿流交替現(xiàn)象,并確保無(wú)壓輸水管道進(jìn)口不出現(xiàn)間歇性的封堵現(xiàn)象。這也正是本工程增設(shè)調(diào)節(jié)池,而不是簡(jiǎn)單地在相同位置增設(shè)進(jìn)排氣管的主要原因。
⑤調(diào)節(jié)池后部無(wú)壓輸水管道內(nèi)的流速不宜過大,以免管內(nèi)發(fā)生空化、空蝕現(xiàn)象。無(wú)壓輸水管道的出口流速不應(yīng)對(duì)出口外流道產(chǎn)生過大沖刷,同時(shí)建議該流道作混凝土襯砌處理。無(wú)壓管道沿線一般應(yīng)按緩坡布置設(shè)計(jì),而且沿線坡降最好不出現(xiàn)過大的變化。如果無(wú)壓管道沿線存在急坡段,則應(yīng)論證在出現(xiàn)急坡水躍時(shí)會(huì)不會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)間歇性明、滿流現(xiàn)象,以免出現(xiàn)管道振動(dòng)問題,如能確保管內(nèi)水躍始終為無(wú)壓流狀態(tài),則這種水躍有時(shí)可用其作為一種消能的良好措施。⑥對(duì)于長(zhǎng)管線輸水管道系統(tǒng),調(diào)節(jié)池一般只考慮在控制性高程的駝峰管段上設(shè)置。4進(jìn)排氣管的設(shè)計(jì)
本工程改進(jìn)方案為使調(diào)節(jié)池附近的管中心高程為999.0m的管段內(nèi)在突然停泵的過渡過程中不出現(xiàn)過大的負(fù)壓現(xiàn)象,特在最高駝峰管段的首端(樁號(hào)4046.33m),設(shè)置了φ250的進(jìn)排氣管,其進(jìn)氣口高程取為1002.0m,進(jìn)氣口位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件布置在隱蔽處。設(shè)置進(jìn)排氣管的目的是為了利用其在水泵啟動(dòng)時(shí)的排氣作用和在水泵正常停機(jī)或失電工況時(shí)的補(bǔ)氣作用,而不是用其解決輸水管道在正常供水工況下的負(fù)壓?jiǎn)栴}。進(jìn)排氣管的功用與進(jìn)排氣閥類似,但比進(jìn)排氣閥更經(jīng)濟(jì)、可靠。由于進(jìn)排氣管不宜太高,故只能設(shè)置在正常運(yùn)行工況下內(nèi)水壓力較小的管段上,即一般只宜設(shè)置在有壓管道出口附近管段上。對(duì)于輸水管道中、前部位的某些局部駝峰管段,即使其在正常運(yùn)行工況時(shí)的內(nèi)水壓力較小,一般也不宜設(shè)置進(jìn)排氣管,以免在水泵開啟時(shí)進(jìn)排氣管內(nèi)出現(xiàn)過大的水位波動(dòng)甚至溢流。5進(jìn)排氣閥的設(shè)計(jì)進(jìn)排氣閥的設(shè)計(jì)主要依據(jù)整個(gè)輸水管道系統(tǒng)的水力過渡過程計(jì)算分析。本工程在樁號(hào):-28.0,209.50,401.34,654.30,868.32,1055.14,1218.84,1399.84,2195.
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