水利水电工程中长距离输水管道减压路径分析

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（甘肃省水利水电工程局有限责任公司，甘肃兰州 730000）

我国水资源分布不均，北方地区水资源相对匮乏，制约了当地的经济发展。长距离调水工程可有效缓解水资源短缺问题。管道输水的方式相对灵活，可根据地势进行调整，对地质环境要求较低，施工方便，成本低，渗漏情况发生较少且能保证输水质量，在我国得到广泛应用。在长距离输水管道设计中，管道压力是影响工程安全及工程造价的重要因素之一。当输水工程主要利用地形落差重力流进行输水时，管道在输水过程中若突然关阀，则容易引发水锤现象，管道承受压力不能承受水锤压力时，管道就会损坏，影响输水工作。管道破坏后必须进行管道修复，提升管道抗压能力，增加了工程投入。因此，对于长距离输水管道必须采取相应措施减少管道在输水工作中的压力。

长距离输水工程的主要作用是合理分配水资源，调节并缓解部分地区水资源短缺问题，在我国水资源分配工作中得到充分重视和应用。长距离输水管道主要利用地势及重力形成高度差完成输水工作，水压是工程中的主要问题，管道阀门与管道内压力息息相关，静水压与管道之间的距离存在联系，水压与地势高度差之间相关，且呈正比关系[1]。管道在受到压力的影响下会发生损坏，当关闭阀门出现异常时，管道内压力升高，管道因承受不住压力而破裂，导致输水工作的正常运行。若长距离管道中地势起伏较大，那么其管道路径变化较大，容易出现水流不通畅问题，甚至可能出现断流现象。

2.1 设置减压池

在长距离输水管道中可设置减压池进行减压，这种方式主要利用输水工程起点和终点的落差达到减压的目的，在管道不同高度位置修筑减压池，方便向下一段管道供水，但在设置减压池的过程中需要注意每个减压池可控制一个小区的供水[2]。减压池在一定程度上可以有效缓解管道压力，因此成为长距离管道减压的常见减压方式之一。

2.2 减压阀

减压阀的工作原理与减压池的工作原理有所不同，设置减压阀时要了解并分析供水区域内对输水压力的要求、管道承受力及压力等，将输水管道以分段的形式进行埋设，其分段主要依据输水工程中地形的高度差来区分。减压阀需要设置在管道中的不同部位，注意减压阀应设置在合理的压力范围之内，设置的压力能够承受管道水压，避免因管道破裂而影响输水工作[3]。如某输水工程的减压方式就是减压阀及减压池两种方式，按照地势的总落差与地形的高低设置减压池及减压阀，在输水管道减压方面十分有效。

2.3 分段减压消能

长距离输水管道的特点是地形落差较大，水流量丰富及运输距离长，长距离管道运输有必要进行分段管理，在管道材料选择中应选择耐用、使用时间长且价格合理的材料作为输水管道。某长距离输水管道在建设过程中，由于多种因素的影响，使工程难以实施，为克服这一困难，必须使用分段减压消能，通过这种方式达到管道减压的目的。分段减压效能使将长距离的管道分成不连续且距离较短的管道，在这些短距离管道中，每个管道的管尾设置效能设施及闸阀，以达到分压效果，减少水锤压力，解决管道压力问题。

分段减压设置不仅能够解决管道压力问题，还可解决工程实施过程中材料方面的困难，同时在一定程度上能够避免浪费，降低工程造价的预算。分段减压设施可分为3 种类型，即消能设施、闸阀控制流量的大小和稳压池，其设计应根据具体工程规模，一般采用消力池。闸阀布置方便，但闸阀出口过大，稳压池的主要作用是稳定下一层管路入口流态，一般布置在消力池下游，同时要求管道出口必须淹没在水里来达到减压目的。能量消减装置和闸阀也可采用调速装置安装。对管段的划分应根据实际管段布置情况、管道承压能力、地形地质特征、消能设施投资及操作管理方便可靠等因素确定，要综合考虑各方面的因素确定最佳方案[4]。

2.4 减少水锤影响

某农田水利构成中水流量变化是造成水锤击的主要原因，当管路内流速改变时，管路内压力也随之改变。在管道系统中，水锤波起着非常重要的作用。水锤的尺寸与水锤波的波速成比例，也就是说，水锤的波速越大，水锤越大。经计算分析，本管道工程属于长距离低流速管道，理论计算结果是正常闭合检修，水锤升压不高，但若因意外积气、错误操作等原因也可产生较大的水锤升压，应采取必要的措施，防止意外的水击升压对管道的破坏。通过减慢管道系统内水的流速，减小机械波的传递速度，从而控制水的冲击效应。重力波水锤主要体现在关闭管路时的水锤，即由于管路阀门关闭速度快，导致阀门前产生涌压。为防止本工程在输水管道中因事故关闭、错误操作而造成水锤损坏，应合理控制调节阀的开关时间，以减少因流量变化而造成的水锤影响。

3.1 长距离输水管道减压注意事项

3.1.1 控制闸阀关闭时间 突然关闭闸阀会使管道内水流量迅速变化，造成压力突然上升或下降，并周期性地来回作用于管路，最终产生水锤压力，水锤压力极容易导致管道破裂。水锤测量仪是管路设计中不可缺少的一部分，长距离的离管水锤计算，可以用特征线法通过计算机的方式计算。水锤现象主要是由水流量变化引发，在规定时间内管道内部动量的变化越明显，水流产生的冲击力越强，增加管端闸阀关闭时间可有效降低管路压力，防止管道破裂。

3.1.2 注重设计输水管道 长距离输水管道供水量随季节水流量而发生变化。由于管道长度长、地势落差大、地形起伏较大、运行条件复杂等原因，给管道的安全运行造成了一定困难。考虑到经济性和技术性，在长距离输水管道设计中采用分段输水方法，可最大限度地减少管道的工作压力，保证输水线路能够稳定输水。将管道分成若干段，每段地面落差依据实际情况和地形特点，选择合适的输水方式。这里供选的输水方式主要包含2 种，一种是全段有压式，另一种是无压重力与有压重力相结合的输水方式[5]。

全段有压力输水属于一种利用有压重力的输水方法，管道沿地形起伏合理布置，在铺设管道时应考虑地形起伏点的正常运行水头。此外，还应考虑作业期间的管理和施工要求，管道尽量采用标准化管件，保证工程质量，选择性价比及质量较高的材料作为管道运输水资源的材料。

采用无压重力输水配合部分有压重力输水的管道设计方法，主要利用落差设计管道，要求可以最大程度地满足累积水头。以上2 种方案经过分析研究可知，全段有压输水方案工程造价较高，管路压力较大，可使用减压阀降低管路压力，但管道内部压力问题仍无明显改善，供水安全需要得到重视；无压重力输水配合部分有压重力输水方案投资成本低，技术成熟，管理方便，维护方便，供水安全性较高。

3.2 农田水利长距离输水管道减压时的注意事项

3.2.1 跨越沟渠 根据一项农田水利工程的实例，该工程共需跨越河沟172 条，其中5 条河沟、大沟（20 m 宽）和167 条中沟和小沟。其余为排灌渠道，需要注意的是当地农田水利设施由农田水网和小排灌沟组成。依据其大小，采用不同的穿越方法，以减小对沟渠的影响。根据《室外给水设计规范》及《村镇供水工程》的要求，在泄水阀的上部斜管两端设置倒虹吸泄水阀。为维护方便，维修阀设在倒虹吸管的前后端，阀门井口的标高应高于防洪或排水水位0.5m，阀门井口无防洪要求时，也应高于附近地面0.5 m。倒虹吸管上部和下部设有10 m 长的挡墙。

弯管与水平管连接采用22.5°角的倒虹管，上下各设一个接头处，依据管路布置的需要，应尽可能利用地形避免穿越，减少反虹吸次数，对不能避免的深、宽沟底段应采用反虹吸方式穿越。对底深浅、宽度窄的中小型沟槽，由于数量较多，若采用倒虹吸管穿越，则管道波动较大，水力状况较差。所以，采用了反虹吸的方法，在这种情况下，管道对沟渠和农田的影响最小。在跨沟施工时，关键是结合本地灌渠长期规划，使之更加科学化，对现有供水系统影响最小化。

3.2.2 基坑排水 该农田水利工程项目区域内淮源段河网密度大，绥西段塌陷区水沟池塘众多。绥西段地下水一般为浅层地下水，施工过程中，根据具体情况，分别采取轻井点及管井等排水措施，造成大量沟渠基坑排水，影响地下水环境。通过对地下水位的科学合理控制，可以保证管道的施工，而且可以避免对农田和排灌系统的影响。前期，根据水位深度减少、影响半径、渗透系数等因素，结合工程地质和各部位地形，估算各部位出水量，并结合各部位工程地质和地形，确定各部位的水位控制高度。附近的主排水沟（河）对当地的灌溉渠道影响较小，如果排水管道距离现有水网较远，则需要根据现场情况挖一条排水沟或连接排水管道到现有的排水系统。此外，为避免对当地农田造成较大影响，施工期应选择旱季和非灌水期。

远距离输水管道压力问题是关系工程能否安全顺利完成输水工作的关键，通过相关研究发现，合理地将长管道进行分段，将管道最后部位的闸阀关闭时间适当延长，选择最佳的输水方式可有效减少管道压力，还可以降低工程造价成本，确保输水工程的安全运行。