2022年北京冬奧會(huì)延慶賽區(qū)的雪車雪橇將成為國(guó)內(nèi)第一條雪車雪橇標(biāo)準(zhǔn)賽道，此項(xiàng)工程填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在雪車雪橇設(shè)計(jì)方面的空白。雪車雪橇賽道為室外構(gòu)筑物，其補(bǔ)水遭遇嚴(yán)寒難題，容易管道結(jié)凍影響供水。分析了雪車雪橇賽道的特點(diǎn)及使用要求，以初次制冰和臨時(shí)補(bǔ)冰兩種工況共同確定補(bǔ)水管徑。通過重點(diǎn)加強(qiáng)電伴熱保溫和泄水，結(jié)合自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了雪車雪橇賽道制冰補(bǔ)水要求。

視頻來源：北京冬奧組委官網(wǎng)

0 引言

雪車雪橇比賽是冬奧會(huì)雪上競(jìng)賽中速度最快、危險(xiǎn)性系數(shù)高、專業(yè)性強(qiáng)的項(xiàng)目，對(duì)競(jìng)賽場(chǎng)地要求嚴(yán)苛，場(chǎng)館建設(shè)費(fèi)用昂貴，后期運(yùn)行和維護(hù)投入不菲。至今為止，全世界有16座標(biāo)準(zhǔn)雪車雪橇場(chǎng)館，分布在11個(gè)國(guó)家。其中，10座位于歐洲，美國(guó)和加拿大各有2座，日本和韓國(guó)各擁有1座。中國(guó)北京延慶賽區(qū)的國(guó)家雪車雪橇中心將成為亞洲第三座滿足奧運(yùn)比賽要求的雪車雪橇場(chǎng)館，也是中國(guó)第一座雪車雪橇場(chǎng)館、第一條雪車雪橇賽道。

國(guó)內(nèi)對(duì)于雪車雪橇工程項(xiàng)目的相關(guān)設(shè)計(jì)尚處于空白，缺少技術(shù)支撐，缺乏可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，而雪車雪橇賽道設(shè)計(jì)的國(guó)際經(jīng)驗(yàn)具有較強(qiáng)的封閉性，且定制化程度高，參考借鑒作用有限，尤其是雪車雪橇中心的核心——賽道設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

國(guó)家雪車雪橇中心位于北京市延慶區(qū)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，延慶區(qū)1月份平均氣溫-8.8℃，最低氣溫-27.3℃。賽區(qū)海拔高程在1 045m以上區(qū)域?yàn)閲?yán)寒地區(qū)，以下為寒冷地區(qū)。

1 雪車雪橇中心賽道特點(diǎn)

國(guó)家雪車雪橇中心賽道為構(gòu)筑物，中心線長(zhǎng)度為1 975 m，設(shè)置了16個(gè)彎道。最高點(diǎn)高程1 017m，最低點(diǎn)高程896.046m，終點(diǎn)高程911.736m，垂直高差121m。賽道兩側(cè)高度、弧度各不相同，如圖1所示。

2 給水設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求及難點(diǎn)

雪車雪橇中心賽道全部處于室外空間，補(bǔ)水管末端裸露于室外。工藝要求制冰給水龍頭的設(shè)置位置應(yīng)便于制冰師工作時(shí)不離開賽道及賽道邊緣的馬道即可完成操作。給水龍頭出水壓力不小于0.2MPa，噴嘴流量10~20L/min，水龍帶長(zhǎng)40m，承壓1.0MPa。

延慶賽區(qū)凍土深度最低達(dá)1.8m，制冰補(bǔ)水龍頭裸露于室外，賽事進(jìn)行時(shí)正是寒冷季節(jié)，賽區(qū)室外溫度將低至-32℃。隨著賽事的進(jìn)行，每滑過一位選手必須及時(shí)檢查冰面灑水制冰，因此要求龍頭能隨時(shí)迅速出水，在極寒天氣下管道防凍保溫是難題。

此外，還要考慮初次制冰同時(shí)開啟的龍頭數(shù)量，平衡補(bǔ)冰工況和初次制冰工況的流量和壓力。

賽道彎道處受到強(qiáng)大的向心力，彎道左右變換，為防止運(yùn)動(dòng)員飛出賽道保證安全，賽道兩側(cè)根據(jù)受力變化設(shè)有高度不一的圍欄或者防撞板，為便于制冰，補(bǔ)水龍頭根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件一般設(shè)置在欄板較低一側(cè)，由于賽道的彎曲變化導(dǎo)致賽道兩側(cè)都有分布補(bǔ)水龍頭，因此部分區(qū)域需要穿越賽道基礎(chǔ)。

2.2 分區(qū)供水

賽道制冰補(bǔ)水水質(zhì)要求同生活飲用水。市政管網(wǎng)供水水源為1 035m高位水池，賽道補(bǔ)水大部分區(qū)域依賴于生活水池重力供水（下述“市政供水管”），部分區(qū)域因高差不足，要加壓供水。制冰補(bǔ)水系統(tǒng)根據(jù)供水壓力和現(xiàn)狀賽道地形分割情況，劃分為下列區(qū)域：

出發(fā)段西側(cè)，出發(fā)區(qū)1給水加壓泵房引出1根DN50給水管，服務(wù)7個(gè)龍頭，圖2中接口1。

中間段，松閆路市政供水管引出1根DN80給水管，服務(wù)24個(gè)龍頭，圖2中接口6。

氨制冷機(jī)房北側(cè)，松閆路市政供水管引出1根DN32給水管，服務(wù)3個(gè)龍頭，圖2中接口7。

3號(hào)路結(jié)束區(qū)段，3號(hào)路市政供水管引出1根DN32給水管，服務(wù)3個(gè)龍頭，圖2中接口4。

3號(hào)路結(jié)束區(qū)段南側(cè)，3號(hào)路市政供水供給管引出1根DN40給水管，服務(wù)4個(gè)龍頭，圖2中接口5。

在賽道各補(bǔ)水引入管上設(shè)置水表及止回閥。

2.3 平面布置

（1）補(bǔ)水龍頭布置。根據(jù)工藝要求，制冰軟管長(zhǎng)度為40m，但是賽道形態(tài)輾轉(zhuǎn)起伏，高低錯(cuò)落，考慮折減系數(shù)及制冰師的工作時(shí)在冰面行進(jìn)的流程，布置間距（行走距離）宜為25~30m，保證賽道區(qū)域均在補(bǔ)水龍頭服務(wù)范圍內(nèi)。制冰龍頭末端預(yù)留管道扣接口應(yīng)朝向與賽道平行的方向，便于制冰師使用。

（2）管道敷設(shè)。雪車雪橇中心地勢(shì)復(fù)雜，平面又被賽道、建筑物、道路、山澗等分割，賽道還有高架部分，管道布置情況較為復(fù)雜。整體上，給水管道沿賽道旁的伴隨路敷設(shè)，無伴隨路的區(qū)域沿賽道敷設(shè)，特殊區(qū)域沿賽道U型槽及賽道基礎(chǔ)支墩敷設(shè)。賽道給水管在有U型槽內(nèi)布置時(shí)，不得貼臨制冷管道。此外，給水管道應(yīng)盡量敷設(shè)于凍土層以下或采取相應(yīng)的電伴熱防凍措施。

（3）管材選擇。賽道最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高差達(dá)到121m，高差大，承受壓力較大，補(bǔ)水管采用1.6MPa不銹鋼管道。

2.4 水力復(fù)核

管道管徑應(yīng)同時(shí)滿足初次制冰和后續(xù)補(bǔ)冰要求，但兩者壓力差距較大。設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足兩種工況需求，管道流量計(jì)算應(yīng)以同時(shí)動(dòng)作的噴嘴流量疊加計(jì)算，干管以全部水嘴同時(shí)作用計(jì)算管徑。對(duì)于支管，則考慮到后續(xù)補(bǔ)冰需求，應(yīng)加設(shè)減壓閥，通過調(diào)節(jié)減壓閥壓力以滿足不同工況需求。以最不利接口6北段18個(gè)龍頭同時(shí)開啟進(jìn)行工況校核，復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表1。

注：噴嘴流量按工藝要求的最大值20 L/min，即0.33 L/s進(jìn)行計(jì)算。局部水頭損失按照沿程水頭損失的15%進(jìn)行計(jì)算。

最不利點(diǎn)10處高程為976m，重力供水水源處標(biāo)高為1 035m，根據(jù)市政供水提供資料，E處供水水頭絕對(duì)高程為1032.8m，則在初期制冰工況下同時(shí)開啟18個(gè)水龍頭的情況下，最不利點(diǎn)10處出流水頭處水壓為1032.8-976-27.254=29.546（m），滿足單個(gè)龍頭出水壓力不小于0.2MPa的要求。

2.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

制冰龍頭隨時(shí)出水，但室外溫度極低，極其容易凍住。因此要采用電伴熱保溫，結(jié)合平昌雪車雪橇中心反饋的情況，帶電伴熱保溫的許多龍頭仍被凍住，因此，我們考慮在電伴熱保溫設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上增加泄水，每次關(guān)閉水龍頭后，凍土層以上區(qū)域管段的充水應(yīng)迅速泄去。

國(guó)外賽道工藝方提供了簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示。按照其設(shè)計(jì)，給水連接管放置于U型槽側(cè)壁，泄水也直接排放于U型槽。

圖3 工藝提供補(bǔ)水節(jié)點(diǎn)

這樣設(shè)計(jì)存在的問題是因?yàn)槟┒怂顾赨型槽內(nèi)直接結(jié)冰，隨后冰凌范圍逐漸擴(kuò)大，和保溫管道相接觸，部分水融化后浸潤(rùn)保溫材料，最終導(dǎo)致電伴熱系統(tǒng)失效，供水管道結(jié)凍，補(bǔ)水功能隨之失效。為此，進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。

在龍頭附近設(shè)置閥門井，將控制閥門、泄水閥、減壓閥均集中設(shè)置于檢查井中，控制閥門和泄水閥均采用電動(dòng)控制閘閥，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)遙控功能。當(dāng)控制閥門打開時(shí)，泄水閥關(guān)閉，龍頭處迅速充滿水；當(dāng)完成補(bǔ)水制冰作業(yè)后，關(guān)閉控制閥門，打開泄水閥，控制閥后補(bǔ)水管道內(nèi)的水迅速泄空。所有閥門及與主管連接的引入管均埋設(shè)在冰凍線以下，冰凍線以上管道全部采用電伴熱保溫。對(duì)于部分龍頭處附近沒條件設(shè)置閥門井的區(qū)域，2~3個(gè)龍頭共用一個(gè)閥門井，如圖2中26、26.1、26.2共用，30、30.1共用，36、36.1共用，其他編號(hào)的水龍頭均單獨(dú)設(shè)置專用閥門井。具體設(shè)計(jì)見圖4和圖5。

2.6 控制要求

控制閥門（按鈕）安裝在緊鄰賽道處，保證制冰師制冰或補(bǔ)冰時(shí)無須離開賽道即可控制。制冰開始打開按鈕，A閥門開啟B閥門關(guān)閉即可制冰。此段制冰完成，離開此制冰供水點(diǎn)，關(guān)閉手動(dòng)閥門，按下按鈕，A閥門關(guān)閉，B閥門開啟。

3 結(jié)論

（1）充分考慮防凍保溫和泄水問題。雪車雪橇的選址一般位于高海拔寒冷區(qū)域，室外氣溫極低，因此要采取電伴熱保溫，同時(shí)考慮將凍土層以上的管道水泄去，保持空管狀態(tài)，防止凍住無法使用。防凍保溫的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮所在海拔處的氣候條件，最低溫度的選取應(yīng)充分考慮實(shí)地條件。以本項(xiàng)目為例，根據(jù)氣象資料，延慶區(qū)凍土層深度為1.15m，本項(xiàng)目雖然位于延慶，但海拔較高，不能直接采用往年氣象數(shù)據(jù)，應(yīng)針對(duì)性的采用項(xiàng)目區(qū)域所在氣象站的資料進(jìn)行推測(cè)，本項(xiàng)目的凍土層深度考慮為1.8m。

（2）針對(duì)性采取適宜的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。單個(gè)或者多個(gè)補(bǔ)水龍頭設(shè)置一個(gè)檢查井，檢查井內(nèi)通過電動(dòng)閥的控制切換給水和泄水狀態(tài)，同時(shí)為方便制冰師的使用，采用電動(dòng)控制，以保障賽時(shí)能及時(shí)補(bǔ)水。

（3）分區(qū)域供水。從壓力和平面布置考慮給水管道的分區(qū)，平面被賽道及附屬建筑分隔，盡量少穿賽道基礎(chǔ)。

（4）管道的水力計(jì)算要考慮初次制冰和臨時(shí)補(bǔ)冰兩種工況。初次制冰工況同時(shí)開啟龍頭數(shù)量較多，流量較大，末端壓力恒定時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)管徑較大。但臨時(shí)補(bǔ)冰工況，一般開啟單個(gè)龍頭，流量較小，末端壓力恒定時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)管徑較小。考慮采用減壓閥調(diào)節(jié)的方式兼顧兩者需求。同時(shí)考慮建造成本，不應(yīng)該一味放大管徑，徒增造價(jià)，應(yīng)考慮同時(shí)工作的制冰師的最大人數(shù)確定同時(shí)開啟的最多龍頭數(shù)量，據(jù)此作為設(shè)計(jì)工況，干管也可以不變徑設(shè)計(jì)。

（5）管材、管道布置和敷設(shè)。雪車雪橇中心賽道高差達(dá)120 m，管道承壓要求較高，采用不銹鋼管。賽道給水管在有U型槽內(nèi)布置時(shí)，不得貼臨制冷管道，給水管道應(yīng)敷設(shè)于凍土層以下或采取相應(yīng)的防凍措施。賽道為連續(xù)體，基礎(chǔ)要求極高，穿越賽道底部的管道均應(yīng)提前預(yù)埋。后續(xù)若有遺漏的，無法實(shí)施穿越作業(yè)。

文章對(duì)原文有修改。原文標(biāo)題：國(guó)家雪車雪橇中心賽道制冰給水設(shè)計(jì)和難點(diǎn)探討；作者：申靜、李茂林、郭汝艷、楊瀚宇、梁巖、霍新霖；作者單位：中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司。刊登在《給水排水》2021年第12期。