管道泄水系统设计的关键是水流流速的控制,过去其一贯被作为附属构筑物设计,设计中不重视泄水管流速大小,因此常会给工程运行遗留隐患,造成泄水阀门气蚀、泄水管道内壁冲蚀、泄水管震动、泄水管道出口消能井淘刷等破坏形式。本文通过罗钾II期外部供水工程泄水阀设计实例,谈一谈泄水管流速控制及消能系统型式的选择。

　　 罗钾II期外部供水工程管道,位于罗布泊西部36团西南方向的戈壁平原上,原水取自米兰水库,水库位于米兰河出山口上游约4km处,供水管道起自米兰水库下游电站尾水池。管道走向自尾水池下游出山口7km向北至Ⅰ期供水工程首部的调节池区。管道全长27.5km,管道沿线地形为上游高下游低,总落差397m,全线采用重力流单管输水,管材为螺旋焊钢管,管径为0.9m、0.8m及0.7m3种。年供水量2 100万m³,供水对象为解决国投新疆罗布泊钾肥有限责任公司增加的生产和生活用水。沿线地形上游4km起伏较大,4km后地形缓倾。在上游7+650处设水处理厂1座,沿线设消能阀3座,泄水阀14座,末端设2 000m³混合池1座,管线平面示意见图1。

　　 管道在初步设计时确定沿线的泄水方案是分段泄水,沿线泄水阀直径为DN200,泄水阀采用闸阀,泄水阀末端设消能竖井,消能井直径2.5m,考虑到尽量少征地,主管道距泄水管末端消能井20m。技施设计时为了选择合理的泄水管水流控制方案型式,在出山口地形缓倾段采用以下5种型式进行比较,按伯努里能量守恒公式进行水力计算,并进行水力条件及各项性能比较。

　　 伯努里公式:

　　 式中Z₁、Z₂———位置水头,m;

　　 P₁、P₂———大气压强,这里P₁=P₂;

　　 h_f、h_j———沿程水头损失和局部水头损失,m;

　　 α、ν₁、ν₁———流速水头系数、主管流速及泄水管流速,m/s。

　　 对以上公式整理得一种泄水管径时的计算公式,两种以上管径可分别计算沿程水头损失:

　　 式中n———钢管内壁粗糙系数;

　　 d———管道内径,m;

　　 L———管道长度,m;

　　 ζ———局部水头损失系数;

　　 Q———泄水管泄水流量,m³/s。

　　 以此公式进行泄水管道水力计算。

　　 当管道一侧不临近河道或没有较深的洪沟时,常规的泄水消能系统布置型式,主要有以下5种。

　　 该方案是在主管道泄水管三通后设泄水闸阀,泄水管直径与泄水阀公称直径相同,取主管道直径的1/5~1/4,这里泄水管直径为DN200,泄水管末端设消能井,消能井向外排水可采用管道或渠道(见图2)。罗钾Ⅱ期供水工程分段泄水最大水头H位于泄水阀P-05处为46.43m,泄水管长度L初定为20m,采用的泄水阀为闸阀(也可以选用球阀,但不宜选择阀板始终在管道内的阀门),泄水管为螺旋焊钢管(内防腐为无溶剂型环氧树脂,外防腐为普通3PE),初设时考虑尽量少征地,尽量缩短泄水管道占地的长度,选用方案(1)图2的型式。其优点是布置紧凑,出口消能井距主管近,少占耕地,方便管理。该方案最大的缺点是泄水管流速过高,最大泄水流速达到17.47m/s,易造成泄水阀门振动及气蚀破坏,管道内防腐层很快被冲掉。管道出口流速过大后,剩余动能大,消能井混凝土易受管道出口射流冲刷破坏。为了消除剩余动能,往往将消能井设计较深,若阀井处地下水较高,施工较困难,抽水费用过高。典型泄水阀P-04、P-05、P-08水力计算见表1,泄水阀布置型式见图2。表1中D为管道内径,H为总水头,L为泄水管长度,Q为泄水管流量,V为泄水管水流速度。

　　 该方案仍在泄水管上设泄水闸阀及消能井,仍以泄水阀P-04、P-05、P-08为例。不同的是为了减小阀后管道流速,将阀后管道直径加大,阀前管道直径不变。上段管道直径DN200长20 m,下段DN400长10 m(见图3)。经计算泄水最大流量0.546m³/s,最大流速第一段V₁=17.39m/s,第二段V₂=4.35m/s,与方案(1)相比,优点:增加变径管后,下段管道流速由17.39m/s减小到4.35m/s,出口流速变小后消能效果有保证;缺点:由于阀门布置在小管径段,阀门所在的管道流速没有减小,阀门及管道仍存在气蚀冲蚀破坏现象。这种布置型式解决了消能井消能问题,未解决阀门处流速过大问题,在使用时特别注意阀门的选型及耐气蚀结构问题。若将泄水阀门布置在变径后的大管径段,调整后阀门处在流速较小的管段上,对泄水阀门有利,阀门泄水时安全性提高了;缺点是阀门井与主管道之间的距离过远,小管径段仍流速高,管道冲蚀、锈蚀对整个工程的安全影响较大,一般不采用。水力计算见表2,表2中D₁、D₂代表两种管径,L₁、L₂代表两种管径长度,V₁、V₂代表对应的流速。

　　 本方案是在方案(1)的基础上对出口消能井型式进行改变,考虑到泄水阀泄水时水头较高,根据能量守恒原理,总水头可以转化为沿程水头损失、局部水头损失,考虑到计算时采用的局部水损系数理论与实际有偏差,局部水头损失计算结果的准确性对工程的影响无法判断。因此采用深筒式消能井方案,泄水管及阀门直径DN200,泄水管长20 m不变,出口采用深筒式消能井,消能效果好,泄水道可缩短,占地面积较小,见图4。

　　 深筒式消能井有两种型式,型式(Ⅰ)是采用井底边壁上固定一带倾角的钢板或铸铁板,倾角为45°,井深d与底宽b的比值一般为1.0~2.0。可将底部扩散后的高速水流在井底部形成涡流对撞消能;型式(Ⅱ)是采用底部带倾角的混凝土消力墩使水流形成井底涡流对撞消能。其优点是适宜高水头、小流量泄水情况,水流经过消能井后消能效果好。其缺点是消能井上游的泄水管直径不宜加大,长度较短,如管内流速控制没做好,对阀门及管道内壁防腐层破坏大。若扩大泄水管直径,如将DN200扩大到DN300时,管内流速达到20.16 m/s(见表3)。这种泄水型式可解决就近泄水,可消除管道出口高流速对下游的不利影响,但仍不能消除高速水流对泄水阀及泄水管的不利影响,采用这种型式时,要特别注意管道出口水流扩散问题,最好是通过模型试验后采用。

　　 这种泄水布置型式是在泄水管道上设检修阀、工作阀、消能井。要求工作阀门必须具有调节流量、消除水头功能,使阀后管道流速减小。可选的消能阀类型有活塞式调流控制阀、多喷孔调流控制阀、淹没式调流控制阀、锥形调流控制阀、气缸式调流控制阀、孔板式调流控制阀等。这种阀门一般用于阀前水头高,要求阀后水头较低情况。其优点是有消能阀作保障,消能效果好,阀前泄水管流速是在流量控制下泄水,阀前管道直径可以根据流速进行调整,使流速降低到一定范围;缺点,由于是流量控制阀,对管道水质要求高,如果管道冲洗过程中有大量的施工垃圾,对消能阀泄水有影响,同时这种阀门市场价格较高,阀门操作必须是电动,若临近没有电能,需要配备太阳能发电,投资偏高,一般工程及没有特殊要求时不宜采用(见图5)。

　　 这种泄水型式是将第二方案中直径较小的DN200泄水管增长,直径较大的泄水管DN400长度不变,管道出口仍设一般消能井,其原理是充分利用管道让沿程水头损失增大。经水力计算(见表4),DN200管道长度在第4、第5、第8泄水管中长度分别为130m、140m、130m时,泄水阀最大流量变小了,DN200管段流速降低到6.85 m/s、7.57 m/s、7.54m/s,DN400管段流速降低到1.71m/s、1.89m/s、1.89m/s。其优点是两种管径流速均降低了,如果地形允许,管道出口可以去掉或保留消能井,但消能井深度、直径可减小;缺点是管线长,征地面积多,在对征地有严格限制的情况下不宜选用,水力计算见表4。

　　 5个方案经济分析匡算表见表5,其中土方单价按17元/m³、混凝土870元/m³、钢材7 000元/t、阀门加伸缩节7 500元/套、特种阀门17万元/套,其中特种阀需配备的太阳能发电站25万元。

　　 以上列举了管道泄水不临近河道、洪沟时泄水消能常规的5种布置型式,其中最关键的是流速的控制。方案(1)及方案(2)由于布置泄水管道较短,阀前泄水水头较高,泄水时管道沿程水头损失较小,使管道泄水流量、泄水流速必然较大,这种泄水型式适合泄水处主管道水头不高,或主管道泄空后由于地形起伏在某一管段有存水且水头不高需要放空的情况。方案(3)是泄水管出口设深筒式消能井,特别适合高水头,小流量,泄水处无法延长泄水管长度,泄水管出口流速较大需要有很好的消能情况,这一型式由于泄水管较短,在选取泄水管直径时尽量选偏小的直径,选择泄水管管材时尽量选择强度高耐腐蚀的管材,这样可达到尽量增加管道的沿程水头损失,减小泄水流量,降低泄水流速,达到坚固耐用,安全运行。方案(4)由于使用了可调节流量,降低压力水头的流量控制消能阀,在任何情况下通过控制阀门开度达到控制下泄流量,减小管道流速,削减下泄水头。这种阀门现今由于受到阀门价格较高及沿线须有电力限制,一般运用于比较重要的工程(从表5看出费用最高),对泄水要求较频繁的重要泄水点,采用其他泄水型式无法达到消能要求时才考虑使用。应注意的是,这种消能阀在消能过程中过阀流速是有限制的,要求过阀流速不宜太高,设计时应经过咨询或查阅资料后确定阀径。方案(5)在供水工程泄水设计中用得较多,由于延长了泄水管道,使管道沿程水头损失大大增加,消减了上游水头,减小了泄水流量,降低了管道流速,对泄水阀门的选择要求不高,再通过末段管道扩大管径使出口流速再降低,使工程运行较安全。同时该方案从表5看出工程费用相对方案(4)较低,相对其他方案也是比较安全经济的。

　　 通过技施阶段5种泄水方案的对比分析,由于罗钾供水工程沿线处于山前隔壁滩上,地面又是荒漠草场,征用土地价格偏低,推荐方案(5)作为罗钾Ⅱ期外部供水工程泄水消能型式的最终方案。沿线第4~14泄水阀均采用该方案。

　　 以上是根据罗钾II期外部供水工程管道泄水消能型式选择的设计实例,并通过对每一种泄水型式的计算分析,提出在泄水阀设计时,一定要根据泄水管道流速情况,进行多方案比较分析,选择最佳的水力条件,尽量降低泄水管道流速,兼顾泄水管道出口消能。同时要根据工程的重要性,沿线有无电力供给,有没有受周围环境的限制条件,选择安全经济的泄水方案型式。