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     作者：陳光

1.工程概況

    宜昌市東宜原水工程是利用黃柏河?xùn)|支尚家河水庫(kù)水源，通過東風(fēng)總干渠將水引至官莊水庫(kù)后，再修建壓力輸水管道，向宜昌市城區(qū)供水的一項(xiàng)水源工程。工程總供水規(guī)模為34萬m3/d，總投資6145. 44萬元，于2002年建成投入使用。

    管道建成初期運(yùn)行正常．因設(shè)計(jì)未考慮在管道出口端設(shè)置閘閥，且管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不高，抗壓能力較低，每年用于管道查漏、搶修和維修的費(fèi)用較大。自2008年以來多次爆管，特別是201 1年7月6日及1 1月7日，在樁號(hào)6 +220處連續(xù)兩次發(fā)生雙管道爆管事故，導(dǎo)致城區(qū)大面積停水，嚴(yán)重影響了百萬人的生產(chǎn)、生活。

2  管道爆管原因分析

2.1管道現(xiàn)狀

    經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，東宜原水工程主要由取水樞紐和壓力輸水管道兩部分組成。壩前取水口設(shè)平板鋼閘門，引水隧洞穿壩后通過DN1200蝶閥與輸水管道連接。輸水管道為雙管、分三段，全長(zhǎng)17. 8km，全程沿丘陵地形起伏布置，高差最大達(dá)100. 2m。其中官莊水庫(kù)至樁號(hào)3 +500段采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（DN1200，設(shè)計(jì)承壓1.0MPa）；樁號(hào)3+500~10 +246采用玻璃鋼夾砂管（DN1000，設(shè)計(jì)承壓0.6MPa）；樁號(hào)10+246~11+766采用玻璃鋼夾砂管(DN1000，設(shè)計(jì)承壓0. 8MPa)；樁號(hào)11 +766~13+900采用單根球墨鑄鐵管（DN1200，設(shè)計(jì)承壓2.OMPa）輸水至宜昌市四水廠；樁號(hào)11+766~17+800采用單根球墨鑄鐵管（DN1200，設(shè)計(jì)承壓2.OMPa）輸水至宜昌市一水廠，雙管在樁號(hào)12 +865m處連通。

    爆管處集中在管線樁號(hào)6 +200～6 +240處，現(xiàn)場(chǎng)管道破裂情況為1號(hào)管斷裂破口寬70cm，管頭錯(cuò)位15cm;2號(hào)管底部斷裂，最大破口寬45cm；兩次爆管時(shí)管道日供水量均維持在20萬t/d，庫(kù)水位分別為194. Im、196. Sm。經(jīng)查，一水廠端管底標(biāo)高98. OOm，四水廠端管底標(biāo)高115.00m，爆管處屬玻璃鋼夾砂管道（DN1000，設(shè)計(jì)承壓能力0.6MPa），管底標(biāo)高為114. 5m，該段管道基礎(chǔ)（50m軸向范圍）位于一堰塘內(nèi)（現(xiàn)已填平），基底為深達(dá)6m的淤泥，管道下游150m后為一長(zhǎng)爬坡段管道。自建成運(yùn)行至爆管期間，該處無滲、漏水現(xiàn)象。

2.2原因分析

    該工程屬長(zhǎng)距離重力輸水管道，爆管期間未發(fā)生極端天氣、地震等。鑒于2008年初在宜昌市一水廠進(jìn)水口處（管道末端）設(shè)置了遠(yuǎn)程控制快速閘閥系統(tǒng)_1，為解決因水廠清水池偏小易出現(xiàn)的漫溢問題，設(shè)四水廠為手動(dòng)閥，閉閥時(shí)間大于60s�，F(xiàn)就一水廠閘閥在通水狀態(tài)下快速動(dòng)作對(duì)供水管道的影響進(jìn)行分析（快速閘閥啟動(dòng)到關(guān)閉歷時(shí)約20s）。按正常庫(kù)水位至維持正常供水的最低水位，分不同日供水量工況，四水廠閘閥在不同開度(經(jīng)核實(shí)其開度大部分時(shí)間維持在30%)等多種組合工況下汁算水錘與管內(nèi)水頭。

2.2.1  一水廠末端水錘計(jì)算及分析

    根據(jù)《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》舍維列夫公式，依據(jù)不同工況流速，判定是否為管流，是否為阻力平方區(qū)，計(jì)算公式，其中根據(jù)管材特性計(jì)算管道抗力系數(shù)K，計(jì)算c為717.5 m/s；判定水擊相，閉閥時(shí)間;依據(jù)水擊連鎖方程與水錘計(jì)算公式，計(jì)算水錘分別為127. 31m和26. 21m；考慮水頭損失，疊加得出不同工況下一水廠管道末端總水頭分別為139. 61m和68. 02m。

    分析表明，在通水狀態(tài)下，關(guān)閉閘閥或過快調(diào)控閘閥將產(chǎn)生直接水錘，造成管道內(nèi)壓力驟然劇增至正常工況水頭( 12. 31~51. 82m)的數(shù)倍，最高可達(dá)11倍多，最大水錘水頭達(dá)127. 31m，未超2.OMPa的球墨管設(shè)計(jì)承壓。

2.2.2玻璃鋼夾砂管道(0. 6MPa)末端水錘計(jì)算及分析

針對(duì)設(shè)計(jì)承壓0. 6MPa的玻璃鋼夾砂管道（樁號(hào)3 +511～10 +246，長(zhǎng)6735m，末端管底標(biāo)高136.5m），按不同組合工況，計(jì)算分析關(guān)閉一水廠出口端閘閥，該玻璃鋼夾砂管道末端管道內(nèi)產(chǎn)生的水錘及管內(nèi)水頭，具體見表1所列。

    分析上述計(jì)算結(jié)果，在通水狀態(tài)下，不論是正常庫(kù)水位198. 2m，還是維持正常供水低水位193. 00m，四水廠閉閥時(shí)，關(guān)閉一水廠閘閥或快速調(diào)控該閘閥將產(chǎn)生直接水錘，造成管道內(nèi)壓力驟然劇增，水頭最高達(dá)到75. 3m（198. 2m水位，日供水量34萬t時(shí)），超過0. 6MPa的管道設(shè)計(jì)承壓。

2.2.3爆管處水錘計(jì)算及分析

針對(duì)爆管處玻璃鋼夾砂管道（樁號(hào)6 +220，設(shè)計(jì)承壓0. 6MPa，末端管底標(biāo)高（14. Sm），按不同組合工況，計(jì)算關(guān)閉一水廠出口端閘閥，爆管處管道內(nèi)產(chǎn)生水錘及管內(nèi)水頭，具體見表2所列。

    分析上述計(jì)算結(jié)果，不論是正常庫(kù)水位198. 2m，還是維持正常供水低水位193. OOm時(shí)，均需四水廠閘閥全開，關(guān)閉一水廠閘閥或過快調(diào)控該閘閥產(chǎn)生的直接水錘造成的管道內(nèi)壓力增加才不會(huì)超過管道設(shè)計(jì)承載能力0. 6MPa，但管壓已接近設(shè)計(jì)臨界狀態(tài)31；其余工況下，管壓均超過0. 6MPa的設(shè)計(jì)承壓，最高達(dá)到98. 25m（198. 2m水位，日供水量34萬t時(shí)）。

2.3分析及結(jié)論

2.3.1  數(shù)據(jù)分析

    分析上述數(shù)據(jù)可知：

    a．管道供水流量越大時(shí)，快速關(guān)閉一水廠閘閥或過快調(diào)控產(chǎn)生的直接水錘也就越大。

    b．管道通水過程中，不同庫(kù)水位下，四水廠蝶閥關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉一水廠閘閥或是快速調(diào)控（小于49. 62s）一水廠閘閥產(chǎn)生的直接水錘，造成管道內(nèi)壓力增加，增加的壓力將超過玻璃鋼夾砂管道設(shè)計(jì)承壓能力，極可能導(dǎo)致玻璃鋼夾砂管爆管。

    c．四水廠閘閥開度對(duì)管道水錘的消散起著積極作用，當(dāng)其全開時(shí)，雙管道連通閥至四水廠方向的管道起著溢流式調(diào)壓井的作用。

    d．通過比較在不同庫(kù)水位供水時(shí)的區(qū)別，可知壩后蝶閥開度對(duì)管內(nèi)工作水頭影響較大；供水量變化時(shí)，隨著蝶閥開度變化，工作水頭呈拋物線曲線分布，期間會(huì)產(chǎn)生工作水頭峰值。

2.3.2結(jié)論

    依據(jù)兩次爆管前管道日供水量（約20萬t/d）、庫(kù)水位維持在194.0~196. Om范圍、四水廠閘閥30%開度工況及上述計(jì)算成果，綜合分析，可知在該工況下，關(guān)閉、過快或過頻調(diào)控一水廠閘閥產(chǎn)生的直接水錘，造成管道樁號(hào)6 +220處內(nèi)壓高達(dá)0.64MPa，超過該段管道設(shè)計(jì)承壓能力0. 6MPa，導(dǎo)致爆管；而該處管底高程僅為114. Sm，自身工作水頭較大，且地基為柔性基礎(chǔ)（淤泥質(zhì)基礎(chǔ)，深度大于6m），水錘波對(duì)處于柔性地基上管道產(chǎn)生的振動(dòng)振幅將放大且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，進(jìn)一步加劇了對(duì)管道的破壞，更容易產(chǎn)生爆管破壞。

    鑒于上述數(shù)據(jù)分析，以及該處先前無任何滲漏水現(xiàn)象，初步推斷該處爆管系在通水狀態(tài)下，關(guān)閉、過快或過頻調(diào)控一水廠末端遠(yuǎn)程控制閘閥系統(tǒng)導(dǎo)致。

3  防護(hù)措施探討

    為消除隱患，現(xiàn)急須采取相應(yīng)措施，提高供水安全可靠性，確保東宜輸水管道正常運(yùn)行和城區(qū)供水安全�？紤]東宜管線在宜昌市發(fā)展大道宜洋汽車后市場(chǎng)附近分叉，一條管道通往四水廠、另一支通往一水廠，結(jié)合管線布置線路及高程考慮，選擇避開玻璃鋼夾砂管道處設(shè)置，可行的防護(hù)措施主要如下：

    a．取消一水廠遠(yuǎn)程控制快速閘閥系統(tǒng)，改為大轉(zhuǎn)速比閘閥；適當(dāng)擴(kuò)大水廠清水池；鑒于管道末端存有一定富余水頭，改裝為可調(diào)式差動(dòng)減壓閥；同時(shí)為避免負(fù)水錘影響，務(wù)必對(duì)管道進(jìn)出口閘閥聯(lián)動(dòng)操作，在壩后蝶閥調(diào)整或關(guān)閉150s后（末相水錘消散時(shí)間），方可緩慢調(diào)節(jié)末端閘閥，不得提前動(dòng)作。

    b．取消四水廠端閘閥，讓12km處連通閥至四水廠段管道起到溢流式調(diào)壓井作用。

    c．在供水管線樁號(hào)11+775現(xiàn)有排泥閥處（玻璃鋼夾砂管道末端的鑄鐵管段）設(shè)置連接DN400快開式安全閥，開啟值設(shè)定為0. 6MPa。

    d．進(jìn)一步針對(duì)不同庫(kù)水位，把握合理調(diào)節(jié)蝶閥開度與管內(nèi)工作水頭的變化規(guī)律，避免峰值工作水頭，確定管道最優(yōu)工況，確保管道運(yùn)行安全。

4結(jié)論

    通過東宜供水管道不同工況下管道末端閘閥快速動(dòng)作對(duì)不同部位管道的水錘，以及不同防護(hù)措施的探討可以得出如下結(jié)論，供類似工程借鑒。

    a．長(zhǎng)距離多起伏輸水管道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)地形優(yōu)選管道縱坡（布置），優(yōu)化管道閘閥設(shè)施選型以適應(yīng)不同庫(kù)水位、不同供水工況下的影響，并配備必要的減壓或安全閘閥確保工程安全。

b．供水管道管理單位應(yīng)規(guī)范供水管道閘閥操作流程及注意細(xì)節(jié)，避免快速動(dòng)作管道末端閘閥，同時(shí)把握合理調(diào)節(jié)蝶閥開度與管內(nèi)工作水頭的變化規(guī)律，避免峰值工作水頭。

5摘要

本文簡(jiǎn)要介紹了湖北省宜昌市東宜供水工程運(yùn)行現(xiàn)狀及存在的問題，分析了不同工況下管道末端閘閥快速動(dòng)作對(duì)不同部位的水錘，總結(jié)了集中爆管厚因，并提出了可行的防護(hù)方案，可供類似工程借鑒