汤峪二原子自压喷灌工程支管破裂原因探索与对策

张水英，张 力

（1.蓝田县水利建筑工程队，陕西 蓝田 710500；2.蓝田县河道管理处，陕西 蓝田 710500）

1 基本情况

汤峪二原子自压喷灌工程，位于蓝田县城西南25 km的汤峪水库灌区。它以汤峪水库八里塬干渠为引用水源，利用八里塬地形自然落差产生压力，经主、干、支三级管网实施对汤峪镇的高堡、汤庄、石佛寺、薛庙、张坡、马园等六个行政村119 hm2耕地喷洒灌溉。

灌区呈长方形，南北长2800 m，东西宽平均500 m，西南高、东北低，自然坡度变化在1.6%～1.8%，自然落差优势明显。灌区工作压力均在0.35 MPa以上，分中压区和高压区，中压区灌溉面积为27 hm2，高压区灌溉面积为87 hm2。

喷灌工程由引水部分、管道系统、喷头竖管三大部分组成。引水部分设由进水闸、前池、拦污栅、排砂道、排气孔组成。管道系统采用主、干、支三级管道全固定式，主干管一条，垂直塬面走向自西向东，埋设直径为300 mm的自应力钢筋混凝土管488 m；干管三条，垂直主干由南向北平行布设，一干总长为2085 m，埋设直径为200 mm自应力钢筋混凝土管，二干总长2500 m，埋设直径为200 mm自应力钢筋混凝土管，三干总长为2630 m，埋设直径为189 mm石棉水泥管；一干二干间距120 m，二干三干间距180 m。支管垂直与干管两侧埋设，其中直径为50 mm高压聚乙烯管120条；直径为100 mm石棉水泥管30条；支管间距，中压区为45 m左右，高压区为50 m～56 m。支管上布设喷头供水竖管，呈三角形排列，其纵向间距为1.75 R（R=50 mm），横向间距为1.5 R(R=50 mm)，中压区选用PY-30型喷头，单喷控制面积0.20 hm2；高压区选用PY-50型喷头，单喷控制面积0.38 hm2。为了调节控制压力，在各干管1000 m处，装设调压闸3个，各干管道尾部安装排水闸阀3个，排放管道积水、冲刷管内淤积。

汤峪喷灌工程从1979年3月开工，1980年3月建成投运。充分利用地形落差，无需动力，高效低耗，节水省工，增产增收，特别是建成初期其增产效果明显，但运行中支管破裂时有发生，且一条支管出现故障，整个系统无法工作，虽经多次修复，效果甚微，难于正常发挥效益。

2 支管破裂事故初探

在省、市财政、水利部门的支持下，汤峪喷灌修复列入灌区改造项目并予以实施。

走访有关人员，查阅资料，查看工地现场，对支管破裂，影响及效益发挥进行综合分析认为：原设计一条干管只有一个控制，在灌溉季节，一条支管工作，其干管上的所有支管全部充水，在整个灌溉运行期间长期承压，支管工作交换期间，各支管受压状况变化异常，受压区运行非常时，低压区容易出现负压现象，加之支管管材制造粗糙，管壁薄厚不一，施工人员经验不足，三通聚乙烯管焊接不够牢固，支管破裂再所难免，且一条支管发生故障，其泄压、泄流，使整个系统无法工作。因此，选用材质优良，工作压力满足要求的支管管材，改建支管节制系统，是解决汤峪喷灌正常运行的关键。

3 支管节制系统的设计

3.1 支管现状

图1 原设计支管与干管连接形式

汤峪喷灌原布设连接办法是利用一种自制的三通或四通，连通干管与支管，地面以下平直段支管为聚乙烯管，垂直段以钢管伸出地面，堵头封口，在灌溉时，干管与支管均充水受压，喷灌时开启堵头，装上闸阀，连接竖管带喷头即可运行。

3.2 支管节制方案的选择

在每条支管上加装控制闸阀见图2，支管工作时开启，不工作时关闭，其优点是支管工作独立性强，避免了一条支管出现破裂泄压泄流而影响整个系统。缺点是闸阀工作坑多，占地多，坑内积水，淤泥不可避免，特别冬季操作困难，且维修工作量大。

图2 a方案示意图

将干管两侧支管连通，经三通伸出地面后以法兰盖板封堵，与干管连通伸出地面用堵头堵封见图3。运行时，打开两管堵封，用带闸阀及法兰的公用件连接，闸阀开启支管充水受压，闸阀关闭，支管无水无压。其优点是支管独立工作，不受系统影响及影响系统，运行操作方便，但管路局部水头损失增大。

图3 b方案示意图

a、b方案均为有支管独立工作的优点，但b方案运行操作方便，不占地，故选b方案为支管节制方案。

3.3 支管节制系统的设计

3.3.1 支管管材选择

在认真分析支管破裂故障原因的基础上，本次工程支管选用φ50PVC-U管材，经济实用、耐腐蚀性强，工作压力确定为0.8 MPa。

3.3.2 干支管连接管材选择

连接段应满足：坚固、耐老化，易拆卸安装，操作方便，工作压力在0.8 MPa以上，故选用φ50镀锌钢管及管件较为适宜。

3.4 连接段对喷头工作压力的影响

采用b方案对汤峪水库喷灌支管节制控制系统进行改造，增加了管道附件，加大了局部损失，故对管道的水力情况进行重新计算。

图4 支管系统布置形式

（1）喷头工作性能

表1 喷头工作性能表

（2）总干、干管水力计算

总干及干管水力计算：

式中：h管道沿程损失水头，m；n为糙率，采用0.014；Q为管道设计流量，m3/s；d为管道内径，m；L为管道计算长度，m。

为了简化计算，管道局部损失按沿程损失的10%计。计算结果见表2。

表2 管道水头损失及工作压力计算表

（3）支管水头损失计算

支管为PVC-U管材，内径50 mm，水头损失计算采用哈森-威廉斯公式。

式中:当塑料管 C=150、d=50 mm 时，KH=5.68×10-4；L=85 m。

计算成果见表3。

表3 支管水头损失计算表

（4）增加通用连接件的水头损失计算

采用加设通用联接件后，增大了局部水头损失，主要是:90°弯头 2 件，ξ=0.25×2=0.5；闸阀 1 件，ξ=0.2；分流三通 1 件，ξ=0.5。

计算成果见表4。

表4 增加通用连接件的水头损失计算表

根据以上计算成果，一支管首段所需压力水头按下式计算：

式中：H支首为支管首端所需压力水头，m；H头为喷头工作压力水头，m；H损为支管水头损失，m；H接损为联接件水头损失，m；H竖为竖管高度，1.5 m。

故：中压区H支首=30+2.52+0.35+1.5=34.37 m；高压区H支首=40+15.45+0.63+1.5=57.58 m。与干管最小工作压力，中压区0.362 MPa，高压区0.587 MPa比较，完全可以满足喷头工作压力要求。

4 管道调压及支管节制的效果

修复工程竣工后，经过近年来灌溉运行，灌区群众及喷灌站运行管理人员普遍反映良好。

支管破裂未见发生，管理调压及支管节制使干管单元更趋合理，支管单元独立运作，避免了部分管路运行、其余管路充水受压的情况，提高了管道使用寿命，减少了故障点的影响范围。管道压力稳定，喷头工作压力满足、射程、雾化良好，效益发挥正常。

5 建议

1）灌前管道充水时，应分级按总干、干、支顺序逐渐进行，缓缓开启闸门，使管道慢慢充水，在干管充水时每隔一定距离，先将放水竖管阀门打开，待放水竖管出水时，再由下往上逐个关闭，以排除管内空气，避免灌溉时引起管子的震动和水击，损坏管道。

2）开始灌水时，缓缓开启放水闸，并逐个开启喷头，禁止同时突然开动所有喷头，以防管中出现负压，损坏管道。

3）停止灌水时，也有缓缓关闭放水闸，并禁止同时突然关闭所有喷头，以防出现水击。

4）灌溉季节中，固定管道不必放空，可使其经常保持充水状态，灌溉季节结束后、封冻前，应及时放空管道，以防冻裂。

5）要科学设计灌溉运行程序，合理控制喷头开启运行数量，尽可能安排上、中、下三区同时用水，减少管路输水损失，提高喷灌效果。