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给水排水 |从无到有--2022冬奥国家雪车雪橇中心赛道制冰给水设计

2022年北京冬奥会延庆赛区的雪车雪橇将成为国内第一条雪车雪橇标准赛道,此项工程填补了国内在雪车雪橇设计方面的空白。雪车雪橇赛道为室外构筑物,其补水遭遇严寒难题,容易管道结冻影响供水。分析了雪车雪橇赛道的特点及使用要求,以初次制冰和临时补冰两种工况共同确定补水管径。通过重点加强电伴热保温和泄水,结合自动控制,实现了雪车雪橇赛道制冰补水要求。

视频来源:北京冬奥组委官网

0 引言

雪车雪橇比赛是冬奥会雪上竞赛中速度最快、危险性系数高、专业性强的项目,对竞赛场地要求严苛,场馆建设费用昂贵,后期运行和维护投入不菲。至今为止,全世界有16座标准雪车雪橇场馆,分布在11个国家。其中,10座位于欧洲,美国和加拿大各有2座,日本和韩国各拥有1座。中国北京延庆赛区的国家雪车雪橇中心将成为亚洲第三座满足奥运比赛要求的雪车雪橇场馆,也是中国第一座雪车雪橇场馆、第一条雪车雪橇赛道。

国内对于雪车雪橇工程项目的相关设计尚处于空白,缺少技术支撑,缺乏可借鉴的经验,而雪车雪橇赛道设计的国际经验具有较强的封闭性,且定制化程度高,参考借鉴作用有限,尤其是雪车雪橇中心的核心——赛道设计面临严峻挑战。

国家雪车雪橇中心位于北京市延庆区。根据统计资料,延庆区1月份平均气温-8.8℃,最低气温-27.3℃。赛区海拔高程在1 045m以上区域为严寒地区,以下为寒冷地区。

1 雪车雪橇中心赛道特点

国家雪车雪橇中心赛道为构筑物,中心线长度为1 975 m,设置了16个弯道。最高点高程1 017m,最低点高程896.046m,终点高程911.736m,垂直高差121m。赛道两侧高度、弧度各不相同,如图1所示。

1 赛道三维模型

2 给水设计

2.1 设计要求及难点

雪车雪橇中心赛道全部处于室外空间,补水管末端裸露于室外。工艺要求制冰给水龙头的设置位置应便于制冰师工作时不离开赛道及赛道边缘的马道即可完成操作。给水龙头出水压力不小于0.2MPa,喷嘴流量10~20L/min,水龙带长40m,承压1.0MPa

延庆赛区冻土深度最低达1.8m,制冰补水龙头裸露于室外,赛事进行时正是寒冷季节,赛区室外温度将低至-32℃。随着赛事的进行,每滑过一位选手必须及时检查冰面洒水制冰,因此要求龙头能随时迅速出水,在极寒天气下管道防冻保温是难题。

此外,还要考虑初次制冰同时开启的龙头数量,平衡补冰工况和初次制冰工况的流量和压力。

赛道弯道处受到强大的向心力,弯道左右变换,为防止运动员飞出赛道保证安全,赛道两侧根据受力变化设有高度不一的围栏或者防撞板,为便于制冰,补水龙头根据现场条件一般设置在栏板较低一侧,由于赛道的弯曲变化导致赛道两侧都有分布补水龙头,因此部分区域需要穿越赛道基础。

2.2 分区供水

赛道制冰补水水质要求同生活饮用水。市政管网供水水源为1 035m高位水池,赛道补水大部分区域依赖于生活水池重力供水(下述“市政供水管”),部分区域因高差不足,要加压供水。制冰补水系统根据供水压力和现状赛道地形分割情况,划分为下列区域:

出发段西侧,出发区1给水加压泵房引出1DN50给水管,服务7个龙头,图2中接口1

2 赛道给水平面

出发段东侧,3号路市政供水管分别引出2DN25给水管,2处分别服务1个龙头,图2中接口2和接口3

中间段,松闫路市政供水管引出1DN80给水管,服务24个龙头,图2中接口6

氨制冷机房北侧,松闫路市政供水管引出1DN32给水管,服务3个龙头,图2中接口7

3号路结束区段,3号路市政供水管引出1DN32给水管,服务3个龙头,图2中接口4

3号路结束区段南侧,3号路市政供水供给管引出1DN40给水管,服务4个龙头,图2中接口5

在赛道各补水引入管上设置水表及止回阀。

2.3 平面布置

1)补水龙头布置。根据工艺要求,制冰软管长度为40m,但是赛道形态辗转起伏,高低错落,考虑折减系数及制冰师的工作时在冰面行进的流程,布置间距(行走距离)宜为25~30m,保证赛道区域均在补水龙头服务范围内。制冰龙头末端预留管道扣接口应朝向与赛道平行的方向,便于制冰师使用。

2)管道敷设。雪车雪橇中心地势复杂,平面又被赛道、建筑物、道路、山涧等分割,赛道还有高架部分,管道布置情况较为复杂。整体上,给水管道沿赛道旁的伴随路敷设,无伴随路的区域沿赛道敷设,特殊区域沿赛道U型槽及赛道基础支墩敷设。赛道给水管在有U型槽内布置时,不得贴临制冷管道。此外,给水管道应尽量敷设于冻土层以下或采取相应的电伴热防冻措施。

3)管材选择。赛道最高点和最低点高差达到121m,高差大,承受压力较大,补水管采用1.6MPa不锈钢管道。

2.4 水力复核

管道管径应同时满足初次制冰和后续补冰要求,但两者压力差距较大。设计应同时满足两种工况需求,管道流量计算应以同时动作的喷嘴流量叠加计算,干管以全部水嘴同时作用计算管径。对于支管,则考虑到后续补冰需求,应加设减压阀,通过调节减压阀压力以满足不同工况需求。以最不利接口6北段18个龙头同时开启进行工况校核,复核计算结果见表1

1 水力计算

注:喷嘴流量按工艺要求的最大值20 L/min,即0.33 L/s进行计算。局部水头损失按照沿程水头损失的15%进行计算。

最不利点10处高程为976m,重力供水水源处标高为1 035m,根据市政供水提供资料,E处供水水头绝对高程为1032.8m,则在初期制冰工况下同时开启18个水龙头的情况下,最不利点10处出流水头处水压为1032.8-976-27.254=29.546m),满足单个龙头出水压力不小于0.2MPa的要求。

2.5 节点设计

制冰龙头随时出水,但室外温度极低,极其容易冻住。因此要采用电伴热保温,结合平昌雪车雪橇中心反馈的情况,带电伴热保温的许多龙头仍被冻住,因此,我们考虑在电伴热保温设计的基础上增加泄水,每次关闭水龙头后,冻土层以上区域管段的充水应迅速泄去。

国外赛道工艺方提供了简单的节点设计如图3所示。按照其设计,给水连接管放置于U型槽侧壁,泄水也直接排放于U型槽。

3 工艺提供补水节点

这样设计存在的问题是因为末端所泄水在U型槽内直接结冰,随后冰凌范围逐渐扩大,和保温管道相接触,部分水融化后浸润保温材料,最终导致电伴热系统失效,供水管道结冻,补水功能随之失效。为此,进行了针对性设计。

在龙头附近设置阀门井,将控制阀门、泄水阀、减压阀均集中设置于检查井中,控制阀门和泄水阀均采用电动控制闸阀,实现自动遥控功能。当控制阀门打开时,泄水阀关闭,龙头处迅速充满水;当完成补水制冰作业后,关闭控制阀门,打开泄水阀,控制阀后补水管道内的水迅速泄空。所有阀门及与主管连接的引入管均埋设在冰冻线以下,冰冻线以上管道全部采用电伴热保温。对于部分龙头处附近没条件设置阀门井的区域,2~3个龙头共用一个阀门井,如图22626.126.2共用,3030.1共用,3636.1共用,其他编号的水龙头均单独设置专用阀门井。具体设计见图4和图5

4 补水节点示意图1

5 补水节点示意图2

2.6 控制要求

控制阀门(按钮)安装在紧邻赛道处,保证制冰师制冰或补冰时无须离开赛道即可控制。制冰开始打开按钮,A阀门开启B阀门关闭即可制冰。此段制冰完成,离开此制冰供水点,关闭手动阀门,按下按钮,A阀门关闭,B阀门开启。

3 结论

1)充分考虑防冻保温和泄水问题。雪车雪橇的选址一般位于高海拔寒冷区域,室外气温极低,因此要采取电伴热保温,同时考虑将冻土层以上的管道水泄去,保持空管状态,防止冻住无法使用。防冻保温的设计应充分考虑所在海拔处的气候条件,最低温度的选取应充分考虑实地条件。以本项目为例,根据气象资料,延庆区冻土层深度为1.15m,本项目虽然位于延庆,但海拔较高,不能直接采用往年气象数据,应针对性的采用项目区域所在气象站的资料进行推测,本项目的冻土层深度考虑为1.8m

2)针对性采取适宜的节点设计。单个或者多个补水龙头设置一个检查井,检查井内通过电动阀的控制切换给水和泄水状态,同时为方便制冰师的使用,采用电动控制,以保障赛时能及时补水。

3)分区域供水。从压力和平面布置考虑给水管道的分区,平面被赛道及附属建筑分隔,尽量少穿赛道基础。

4)管道的水力计算要考虑初次制冰和临时补冰两种工况。初次制冰工况同时开启龙头数量较多,流量较大,末端压力恒定时会导致设计管径较大。但临时补冰工况,一般开启单个龙头,流量较小,末端压力恒定时会导致设计管径较小。考虑采用减压阀调节的方式兼顾两者需求。同时考虑建造成本,不应该一味放大管径,徒增造价,应考虑同时工作的制冰师的最大人数确定同时开启的最多龙头数量,据此作为设计工况,干管也可以不变径设计。

5)管材、管道布置和敷设。雪车雪橇中心赛道高差达120 m,管道承压要求较高,采用不锈钢管。赛道给水管在有U型槽内布置时,不得贴临制冷管道,给水管道应敷设于冻土层以下或采取相应的防冻措施。赛道为连续体,基础要求极高,穿越赛道底部的管道均应提前预埋。后续若有遗漏的,无法实施穿越作业。

文章对原文有修改。原文标题:国家雪车雪橇中心赛道制冰给水设计和难点探讨;作者:申静、李茂林、郭汝艳、杨瀚宇、梁岩、霍新霖;作者单位:中国建筑设计研究院有限公司。刊登在《给水排水》2021年第12期。