庐山莲花台水库供水工程的输水管道设计
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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 节点
桩号
(m) 节点管
中心
高程
(m) 管段
长度
(m) 原输水管道布置情况 增设调节池后情况 工况1 工况2 工况1 工况2 压力
水头
(kPa) 内水
压力
(kPa) 压力
水头
(kPa) 内水
压力
(kPa) 压力
水头
(kPa) 内水
压力
(kPa) 压力
水头
(kPa ) 内水
压力
(kPa) 3740.33 962.11 150.40 9972.8 351.7 9941.0 319.9 10021.6 401.0 9999.0 377.9 3888.33 988.90 158.41 9961.3 72.3 9938.0 49.0 10011.0 122.0 9996.5 107.5 4046.33 999.00 102.00 9954.0 -36.0 9936.0 -53.8 10004.3 143.0 9994.9 4.9 4148.33 999.00 102.00 9946.6 -43.4 9934.3 -55.7 9997.5 7.5 9993.3 3.3 4250.00 999.00 82.02 9940.6 -49.4 9932.8 -57.2 9992.1 2.1 9992.0 2.0 4332.33 998.90 68.04 9935.7 -53.3 9931.6 -57.4 9992.0 3.0 9992.0 3.0 4400.33 996.62 76.13 9930.2 -36.0 9930.2 -36.0 9966.0 0 9966.2 0 4476.33 9923.02 0.00 9930.2 0 9930.2 0 9930.2 0 9930.2 0 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。
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。