一、長距離輸水管件閥門設(shè)計規(guī)范前言
隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，對水的需求量日益增加。某些地區(qū)由于就近缺乏水源，必須采用長距離輸水方式來解決用水問題。長距離輸水，管線長、地形復雜、具有一定的特殊技術(shù)問題。設(shè)計人員要根據(jù)各工程的具體情況，進行妥善的處理。本文在總結(jié)長距離輸水工程設(shè)計實踐的基礎(chǔ)上，通過一定的理論分析，著重對長距離輸水工程設(shè)計中的選線原則、方案選擇、管線設(shè)計、設(shè)備選用、埋深計算，調(diào)節(jié)水池選用、各類閘門的安裝和長距離輸水系統(tǒng)供水保證率計算等方面作一論述。
山區(qū)長距離輸水工程關(guān)系到整個城市輸水的安全可靠性，但往往針對較為復雜的山區(qū)地形情況，管道起伏較大，常常發(fā)生爆管影響供水安全，如何保證管道的安全輸水，需要根據(jù)不同的敷設(shè)環(huán)境考慮相應的安全措施，如排氣、泄水、防水錘措施、聯(lián)通管以及防腐、管道壓力等級的選用等，考慮到各種事故工況的應對措施，實現(xiàn)安全運行。 
二、長距離輸水管件閥門設(shè)計規(guī)范選線原則:
輸水管線的設(shè)計，必須以供水安全可靠、工程造價低、節(jié)省能源、便于施工和有利維護管理為原則。尤其對地形復雜的長距離輸水工程，合理選線更有重要的經(jīng)濟意義。其選線原則是:
(一)管線應盡量短，并力求利用地形條件采用重力流輸水。通過技術(shù)經(jīng)濟比較使所定管線為合理。
(二)輸水管線應盡量避免與各種障礙物交叉；如山谷、河流、鐵路、公路、以及地質(zhì)條件不利的地段。
(三)在礦區(qū)內(nèi)選線時，應模清地下礦藏分布情況，對采空區(qū)和坍方區(qū)不得敷設(shè)性管線。
(四)為防止土壤對金屬管道的腐蝕，管道應避免通過土壤腐蝕性大、導電率高的地段或沼澤地段，在城市或工礦區(qū)選線時，要避免雜散電流的影響。
(五)在山區(qū)或丘陵區(qū)選線時，應盡量將輸水管線沿已建的公路一側(cè)埋設(shè)，并力求減少土石方量。
(六)對純巖石地區(qū)的管線，考慮到管溝需用爆破施工，其線路必須保證與附近高壓供電線、鐵路或居住區(qū)有一定的安全距離。
(七)山區(qū)長距離輸水選線，還應考慮開挖與回填的土方量平衡，避免遠距離運送土方，在巖石地區(qū)施工時，要考慮到沿線就近取土回填的可能。
(八)選擇線路應盡量不占或少占良田。
1.蝶閥：一種結(jié)構(gòu)簡單的調(diào)節(jié)閥，一般應用在低壓介質(zhì)的管道中，做切斷和截流使用，也是給排水管道系統(tǒng)常見閥門之一，在給排水管道上調(diào)節(jié)和截斷水的流動。蝶閥的體積小，重量輕，易于安裝和操作，不過開啟關(guān)閉力矩較大。
蝶閥按照連接方式可以分為對夾蝶閥和法蘭蝶閥；根據(jù)驅(qū)動方式的不同又可分為，手柄蝶閥、渦輪蝶閥、電動蝶閥、氣動蝶閥等
2.閘閥：只能做截斷管道介質(zhì)流動的一種閥門，閘閥的結(jié)構(gòu)較為復雜，只能全開和全關(guān)操作，啟閉力矩較小，管道內(nèi)流體阻力小，并且可以雙向流動。閘閥適宜過水等不含顆粒雜質(zhì)的介質(zhì)，因為閘板的密封面容易和介質(zhì)中的雜質(zhì)或顆粒狀物摩擦造成磨損，另外雜質(zhì)沉淀到閥體底部，會對閘閥的密封性能造成影響，造成閥門關(guān)不嚴的缺陷。
閘閥只適合在需要常開或常關(guān)的管路中使用，因為如果經(jīng)常啟閉閘閥，可能會造成閥板脫落現(xiàn)象發(fā)生，使系統(tǒng)失去控制能力。
閘閥按照閘板的區(qū)別可以分為平行板閘閥和楔式板閘閥。按照閥桿的區(qū)別可以分為，明桿閘閥和暗桿閘閥。
3.截止閥：與閘閥類似，在對管路中介質(zhì)做截斷使用時，兩者功能相似。但截止閥與閘閥的區(qū)別是，截止閥的結(jié)構(gòu)更為簡單，維修更為方便，但開關(guān)閥門用到的力要大于閘閥，另外，截止閥屬于單向閥，安裝的時候要注意按照閥體上的指示標志操作，不得裝反。
4.止回閥：又名單向閥、逆止閥，具有嚴格的方向性，規(guī)定只允許介質(zhì)向一個方向流動。而止回閥的用途都是在介質(zhì)為水的管路中，主要用于是防止水的倒流。
常用的止回閥有蝶式止回閥、消聲止回閥、旋啟式止回閥等。安裝的時候要根據(jù)閥門的類型，確定是安裝在垂直管道還是水平管道上，嚴格按照閥體箭頭標注的方向進行安裝，同樣不可以裝反
三、長距離輸水管件閥門設(shè)計規(guī)范方案選擇
長距離輸水按其輸水方法可分為壓力流輸水與重力流輸水兩大類，而在重力流輸水中又可根據(jù)管內(nèi)水流的特點分成無壓自流式和承壓滿管流兩種。在地形復雜的情況下有時可分段采用以上兩種方式。
(一)重力流輸水系統(tǒng)
水源地勢高于用水地點，而兩處地形高差足以克服輸水管線的水頭損失，又能保證用戶用水壓力要求時，可根據(jù)地形、地質(zhì)等自然條件，由水源全部或部分用重力流輸水至用水點。在不能自流的地段，可采用承壓流送水。這種供水方式投資和運轉(zhuǎn)管理費用省，是比較理想的供水方式。
(二)壓力流輸水系統(tǒng):
對于水源地勢低于用水地點，應根據(jù)地形高差、管線長度、管材的承壓能力及設(shè)備動力情況，沿管線設(shè)置不同數(shù)量的中途加壓泵站，用壓力流輸水至用水點。
在長距離壓力流輸水設(shè)計中，本著安全、節(jié)約、便于施工和有利維護管理的原則，中途加壓泵站的級數(shù)應盡量減少。
加壓泵站之間的內(nèi)部系統(tǒng)，目前大多采用吸水池中斷壓力后，再用水泵提升的形式。吸水池容積主要考慮前后兩級加壓泵站在運轉(zhuǎn)中的流量調(diào)節(jié)因素。這種形式運轉(zhuǎn)可靠，管理方便，但水池之輸水管末端的余壓未能充分利用，浪費了能量。在長距離輸水設(shè)計中，若取消各加壓泵站的吸水池，利用管道直接連接相鄰兩級泵站的進出水管，只要控制好各級泵站的啟動時間，運轉(zhuǎn)同樣可靠。我院設(shè)計的某長距離輸水工程，采用直接串聯(lián)加壓形式，現(xiàn)已有十五年運轉(zhuǎn)歷史，情況良好。
對于山區(qū)，礦區(qū)或新建城市，往往交通不便，供電、供熱、供應生活用品等條件比較困難。有的山區(qū)夏季交通受洪水威脅，冬季經(jīng)常大雪封山，給泵站的運行和維護管理帶的困難。在這種情況下，長距離輸水管線沿途應盡量不設(shè)或少設(shè)泵站，采用高壓輸水系統(tǒng)更為合理。例如某礦區(qū)給水位于山區(qū)，水源地距四十多公里，高差大，地形復雜，沿途設(shè)泵站的條件困難，采用高壓輸水方案。輸水管設(shè)計大工作壓力達47公斤/厘米 2 。設(shè)計中采用了高壓自動復位水錘消除器；高壓排進氣閥。該工程于1978年正式投產(chǎn)，做到了一次試水成功。五年來的實際運轉(zhuǎn)表明，整個供水系統(tǒng)情況良好。
四、管道設(shè)備的設(shè)計與選用
(一)高壓自動復位水錘消除器的設(shè)計與選用
目前，國內(nèi)所生產(chǎn)的水錘消除器，就其工作性能分析，只適用于工作壓力25公斤/厘米 2 以下的管道。而對高壓給水系統(tǒng)，尤其對長距離輸水，由于管道的始、終點地形高差大，水頭損失多。當水錘突然發(fā)生時，其水錘波的低壓力，仍會保持著較高的正壓值。因此，只要求在負壓或較低壓力才能啟動的現(xiàn)行重錘式水錘消除裝置，在這里已不宜使用。
高壓自動復位水錘消除器是當給水系統(tǒng)突然停電，管內(nèi)高壓水錘正壓波值返回前的瞬間，利用在逆止閥前后出現(xiàn)的壓差，破壞了消除器保持常閉狀態(tài)的平衡條件，在壓差作用下推動閥體內(nèi)的活塞上移，接通泄水管，泄水降壓達到水錘防護目的。同時，考慮山區(qū)長距離輸水維護管理的不便，在該系統(tǒng)上安裝自動調(diào)節(jié)復位器。復位器可調(diào)節(jié)在一定壓力作用下，閥門自動開啟。隨著管內(nèi)壓力的逐漸回升，壓力水又開始向消除器的上、下部空間回流充水。當活塞面上的壓差達到一定值時，活塞又開始向下推移，關(guān)閉泄水管，消除器恢復到原來的常閉平衡狀態(tài)。高壓自動復位水錘消除器，在某山區(qū)長距離輸水管線安裝使用，經(jīng)過性能鑒定，證明動作靈活。在實際運轉(zhuǎn)中雖然發(fā)生過幾次突然停電，但未發(fā)生水錘事故，保護了管線正常運行。該設(shè)備在管道上的安裝見圖1
(二)長距離輸水管件閥門設(shè)計規(guī)范高壓排進氣閥設(shè)計與選用:
長距離輸水，往往沿線地形較復雜，管線的坡度起伏變化大。實踐證明，合理的設(shè)計與安裝排進氣閥，對保護管線正常輸水極為重要。
分析現(xiàn)有排氣閥裝置的工作性能；當閥體內(nèi)充滿有壓水使浮體封閉排氣管時，若作用在浮體本身排氣孔軸向由氣壓造成的垂直壓差，超過浮體本身的自重，這時，雖在閥體內(nèi)充滿積氣，但浮體不能隨水面下降，積氣無法排除。
為解決這種矛盾，國外采用結(jié)構(gòu)較復雜的杠桿傳動裝置，借助較大的力矩比，使其動作靈活可靠。這種設(shè)備雖然較輕便，但其適應的工作壓力仍較低。我院本著結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，適用高壓系統(tǒng)的原則，在某長距離輸水工程中，設(shè)計使用了一種高壓自動排進氣裝置。其工作原理為:
1.閥內(nèi)浮體自重應小于浮體本身的浮力，從而保證當管線正常運行時，排進氣閥處于常閉狀態(tài)。
2.排進氣孔的選定，應根據(jù)在閥體內(nèi)充滿積氣后，水面下降時，浮體借自重能克服此時所受的軸向垂直壓差而下移，并能保證一定的排進氣強度。
3.根據(jù)長距離高壓管線各設(shè)計管段的壓力，能調(diào)整排進氣閥浮體的自重。
為滿足上述的幾點要求，高壓自動排進氣閥中，浮體的設(shè)計條件式應為:
五、長距離輸水管件閥門設(shè)計規(guī)范管道埋深的計算與確定
在長距離輸水中，管道的工程量和投資，都占有較大的比重。而管道埋深又與工程造價直接有關(guān)。尤其在我國北方山區(qū)，該問題更應引起重視。目前，對給水管道埋深的計算，仍是以埋設(shè)深度大于當?shù)赝寥来髢鼋Y(jié)深度。但該方法缺乏足夠的理論依據(jù)。
我院對各種土壤的凍結(jié)深度和不同埋深的動靜水給水管道進行了連續(xù)凍結(jié)實驗。對土壤凍結(jié)深度的計算方法、管道埋深的確定，提出了不同的論點。對由水流作用下，在管壁四周產(chǎn)生不凍層的計算理論，給水管道凍結(jié)時間和埋深的關(guān)系等進行了全面分析。實際觀測結(jié)果表明，由于現(xiàn)行方法從非熱平衡條件出發(fā)，并忽略了埋深、不凍層厚度和凍結(jié)時間的相互關(guān)系，其計算值與實測值的誤差較大。
此外，對長距離輸水埋深的計算，還要考慮在已確定的供水保證率前提下，允許停水時間和管道凍結(jié)歷時的關(guān)系等因素。 以H代表長距離輸水管道埋深；h代表當?shù)赝寥赖拇髢鼋Y(jié)深度
如上所述，當其它條件已定時，管道埋深直接與凍結(jié)時間有關(guān)。而在長距離輸水設(shè)計中，為滿足一定的設(shè)計保證率，有一個相對應的設(shè)計允許斷水時間(t)，但只要能滿足條件:
t可以認為，這樣確定的管道埋深是經(jīng)濟合理的，在實際工程中，也可根據(jù)當?shù)氐囊延匈Y料，，利用已繪制的給水管道埋深計算圖表(見圖3)直接查出相應的埋深H值。本計算方法在我院所設(shè)計的某長距離輸水工程中應用后，所確定的管道埋深，比用現(xiàn)行方法計算減少20～25%。 
六、長距離輸水管件閥門設(shè)計規(guī)范幾個技術(shù)問題
(一)長距離輸水管線根數(shù)與供水保證率:
長距離輸水系統(tǒng)的供水保證率計算，是個新課題，它與輸水管線根數(shù)；單管輸水能力；各條管線之間連通管根數(shù)；設(shè)計管段事故檢修和恢復供水的時間等因素有關(guān)。據(jù)有關(guān)資料分析，對長距離輸水系統(tǒng)而言，出現(xiàn)斷水事故機遇(Λ)，與輸水管根數(shù)(N)，中間連通管數(shù)目(n)，檢修恢復供水時間(t)，和各分段檢修管的事故次數(shù)(λ 1 )的關(guān)系，可用下式表示:
不言而喻，上式時間因素t值的大小，應該是和在一定供水保證率前提下的允許斷水時間相一致的。
對整個長距離輸水系統(tǒng)的供水保證率計算表明；如果我們把輸水管線出現(xiàn)的斷水事故，或?qū)υ撌鹿实臋z修恢復供水歷時作為變量，其輸水系統(tǒng)的供水保證率計算式為:
在一般情況下，對長距離輸水工程而言，事故斷水后，檢修和恢復供水時間可選用下表數(shù)值:
輸水管線根數(shù)的選擇，應視管道輸水能力；近遠期的供水量規(guī)劃；線路長度；施工條件及備用水源情況等因素，經(jīng)綜合經(jīng)濟比較確定。
實踐證明、長距離輸水中，一般采用單管線輸水方式，但為保證安全供水，滿足設(shè)計供水保證率的要求，一般采用建安全調(diào)節(jié)水池的措施，其調(diào)節(jié)水池的小容積為:
此外，在單線長距離高壓輸水系統(tǒng)中，由于水錘的威脅較為嚴重，為提高輸水系統(tǒng)的供水保證率，在長距離輸水管線的局部水力條件不利管段上，采用增部環(huán)狀復線。 
(二)長距離輸水管線各類閘閥的安裝:
對于長距離輸水管線上的閘閥，如排氣閥、進氣閥、泄水閥和干線閘閥的安設(shè)位置，國內(nèi)外看法不一。我們的看法是；各類管線閘閥的安裝位置，應根據(jù)管線長度、地形變化情況、管徑大小等因素而定，更主要的還應與已選定供水保證率所限制的允許斷水時間內(nèi)所確定的各檢修管段的長度相適應。
對于常見的單管長距離輸水管線，其檢修管段長度，一般不大于3公里。在山區(qū)長距離輸水工程設(shè)計中，地形起伏多，當在相鄰兩處高地的距離接近于檢修管段長度時，在其間仍有一些局部較小的起伏，但仍在檢修段的兩端安裝閘門。并于閘門兩側(cè)分別安裝排進氣閥。而在其低處安裝泄水閥門。
對于地勢比較平緩的長距離輸水管線，則應在檢修管段的始終端，分別將排進氣閥、泄水閥和管線閘門安裝在同一節(jié)點閘門井(室)內(nèi)。
為在長距離輸水管線上削弱水錘的威脅，可在一定的距離上用單向閥來代替管線閘門。
(三)長距離輸水系統(tǒng)中調(diào)節(jié)池的選用:
調(diào)節(jié)池在長距離輸水系統(tǒng)中起著非常重要的作用；它不僅能調(diào)節(jié)水量，起到安全水池的效應，同時也能起到調(diào)壓水池的作用。在長距離輸水工程設(shè)計中，必須合理地選用。
在實際工程中，可采用調(diào)壓水池與安全水池合建的形式。
對于重力流輸水系統(tǒng)，利用調(diào)節(jié)水池，對管道壓力線的控制與劃分，提出以下看法:
1.充分利用地形高差，用調(diào)節(jié)水池分段輸水，在允許流速范圍內(nèi)，減小管徑。
2.盡可能減少管道的動、靜水壓差。
3.水池的位置應保證防止管道水壓坡降線與管線的交叉，避免負壓管段出現(xiàn)。
4.在系統(tǒng)中，必須保證(下轉(zhuǎn)37頁)(上接33頁)多水池間的水位平衡與穩(wěn)定。
(四)長距離輸水管線穿越設(shè)施的選用:
由于地形條件的限制，長距離輸水管線經(jīng)常會遇到一些障礙地段。例如:河溪、溝谷、獨山、山口、山嘴、路面等。對此，在無法繞過避開的情況下，必須采取局部管道的穿越措施。
輸水管線必須越過河溪、洪溝時，首先應考慮利用已有跨越構(gòu)筑物的可能，如已建的橋梁、堤壩、路基等，必須新建管線跨越設(shè)施時，應根據(jù)河道斷面特點，水文地質(zhì)情況和施工條件等因素而定。
一般說來，對于水位較淺，跨度較大而且沖刷不嚴重的平緩穩(wěn)定河谷，宜采用倒虹管穿越。同時，應在河谷主流段的管頂，加部防沖刷加固措施。
對于山區(qū)內(nèi)的澗溪溝谷，要根據(jù)不同的情況，采取各種跨越措施。當管線穿過溝面狹窄，溝底深陡，且洪水威脅較大而平時泄流較多的洪溝時，采用懸索管橋跨越形式，當管線穿過溝面較開闊，平時泄流不大，洪水威脅較小的洪溝時，則采用溝面設(shè)立柱加斜吊桿的管橋跨越形式。當輸水管線遇到獨山、山脊或山嘴時，應從遠處以較小的轉(zhuǎn)角繞過。有時，為縮短管線長度，要直行穿過時，可選擇近距離兩點間開挖隧洞。同時，應處理好洞內(nèi)保溫防凍防坍落石方，和泄空檢修等措施。
從長距離輸水工程實際運轉(zhuǎn)情況分析，以上的各種局部管段，是在運行中容易發(fā)生事故的地方，因此，設(shè)計中對于這些局部管段的安全防護措施，如:管道保溫處理；防洪水沖刷措施；防溫差作用管道伸縮問題的處理；以及防止外部機械性損傷等技術(shù)措施。都應予以重視和妥善解決。
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