沟管道引水工程设计方案探讨

[摘要]大西沟引水管道总水头落差大、距离长、单级静水压力大、消能阀上、下游压差大、冬季气温低、上游河道总输砂量大、压力分区多，致使输水系统联动复杂，设计难点比较突出。本文针对以上设计难点分别提出了设计方案。

[关键词]总水头落差大；单级静水压力大；上、下游压差；设计难点

1工程概况

大西沟管道引水工程所在地为新疆维吾尔自治区乌鲁木齐河流域低山丘陵地区。工程主要由取水首部（引水涵洞、压力前池、压力管道和水质预处理厂）、引水管道及消能减压设施组成[1]。本工程引水管线最大引水流量为12.73m3/s。线路落差为656m，采用4级压力分区，每级管道后部均接消能减压设施，各级引水管道管材采用PC⁃CP管+球墨铸铁管组合方案，静压小于等于1.0MPa采用PCCP管，大于1.0MPa采用球墨铸铁管。（1）第一级引水管道。长10534m，最大静水压力156m，管径2.4m，其中一级0+000~一级6+800为PCCP管道，一级6+800~一级10+534采用球墨铸铁管。（2）第二级引水管道。长13958m，最大静水压力175m，管径2.4m，其中二级0+000~二级9+645为PCCP管道，二级9+645~二级13+958采用球墨铸铁管。（3）第三级引水管道。长7590m，最大静水压力152m，管径2.2m，其中三级0+000~三级5+000为PCCP管道，三级5+000~三级7+590采用球墨铸铁管。（4）第四级及尾部引水管道。管道长度分别为8530m和1432m，最大静水压力分别为173m和26m，管径2.2m，其中四级0+000~四级4+500及尾0+000~尾1+432为PCCP管道，四级4+500~四级8+530采用球墨铸铁管，尾部引水管道末端设置检修阀室。该工程为Ⅱ等大（2）型城市供水工程，主要由取水首部、引水管道及消能减压稳压设施组成。管道最大引水流量为12.73m3/s，最小引水流量为1.00m3/s[2]。

2工程设计难点

（1）管道沿线总水头落差656m，落差大。（2）单级管道静水压力均在150m以上，设计压力大；消能阀上、下游压差比为58∶1，设计压差大。（3）冬季气温低，极端最低气温-35.2℃，冻土深度1.62m。（4）上游河道总输砂量为6.5万t，输砂量大。（5）引水管道压力分区多，全线分4级压力分区，输水管道长43.2km致使输水系统联动复杂[3]。

3工程设计方案

设计人员针对工程设计难点在工程布置时采取了相应的设计方案。（1）针对总水头落差大656m，采用4级压力分区。单级静水压力最大175m，考虑水锤压力后控制工况的设计压力为230m，其余单级静水压力均在150m以上。本工程单级管道静水压力远远大于辽宁省大伙房输水工程（单级压力分区静水头60m以内）、山西省万家寨引黄工程（单级压力分区静水头80m以内）等国内代表性工程，目前仅有新疆阿拉山口供水工程压力分区控制在静水头178m以内，但其单级压力分区178m的管道长度仅为930m，管径仅为0.8m，其余长距离的分段静水头均在120m和140m左右。本工程单级静水压力分区在国内同类工程中名列前茅。（2）针对单级静水压力高175m，选择了合适的管材。在国内首次在设计流量12.73m3/s，工作压力230m（2.3MPa）工况下选择DN2400的K9球墨铸铁管，并结合PCCP管解决了大流量、高水头、长距离输水管道管材选择的难题。每级引水管道都由预应力钢筒混凝土管（以下简称PCCP管）+球墨铸铁管组成，静水压力小于等于1.0MPa采用PCCP管，大于1.0MPa采用球墨铸铁管，一级和二级管径为2.4m，三级和四级管径为2.2m。（3）针对管道末端高水头、高压差比（58∶1）选择了安全有效的消能方式。每级管道末端均采用高压差多级消能淹没式调节阀，一级和二级消能阀设置4台，采用2大2小，检修阀对应管径分别为1.1、0.8m；三级和四级消能阀设置3台，采用2用1备，检修阀对应管径为1.1m。该阀消除静水压力175m水头目前在国内是首例工程，也是新疆第一个采用高压差（58∶1）多级消能淹没式调节阀解决消能水头高、阀前阀后压差大难题的工程[3]。（4）针对冬季气温低，全线输水管道均为地埋，相应建筑物均进行保温，相关阀门采用防冻型阀门。在新疆第一个采用防冻型进排气阀，至今运行良好。全线共设置进排气阀77组（154个，每组2个DN200），平均700m设置一个。进人孔结合进排气阀布置，进排气阀放置在阀房内，进人孔布设在镇墩内管道顶部，进人孔直径为700mm，阀房结合镇墩布置。（5）针对上游河道总输砂量大，在取水首部的压力前池前设置圆中环沉砂池，利用圆中环沉砂池处理大量的推移质和大颗粒悬移质，处理后的水流入压力前池，通过压力前池的回转式拦污栅处理水表层的漂浮物，最后将水引入水质预处理厂对来水的浑浊度进行预处理，处理后的水指标达到100~500NTU以内才引入下游管道，这样大大减小泥砂对管道和阀门的磨损。（6）针对压力分区多、输水距离长致使输水系统联动复杂，本工程首先在每级分区首部设置一定容积的稳压池，稳压池的容积用5min的引水量控制，给输水系统联动留出充裕时间，其次制定详细的输水系统操作流程，并研制相应操作平台，实现自动化远程控制，少人监管模式。

4结语

本工程的水力过渡过程计算成果、水锤综合防护措施、在输水管道适当位置设置不同类型空气阀的方法在同类工程中具有代表性。针对工程的特点和难点所采用的设计方案兼具先进性和实用性，具有良好的推广和应用前景，可以为解决类似工程设计难题提供参考。

参考文献

[1]新疆水利水电勘测设计研究院.大西沟管道引水工程初步设计报告［R］.乌鲁木齐：新疆水利水电勘测设计研究院，2014.

[2]李江，邹世平，金波.长距离输水管道设计与安全防护关键技术［M］.南京：河海大学出版社，2020.

[3]张玲.乌鲁木齐市大西沟管道引水工程水锤防护设计［J］.水利水电技术，2016（3）：36-38.

作者：张玲 单位：新疆水利水电勘测设计研究院