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2022年北京冬奧會延慶賽區(qū)的雪車雪橇將成為國內第一條雪車雪橇標準賽道，此項工程填補了國內在雪車雪橇設計方面的空白。雪車雪橇賽道為室外構筑物，其補水遭遇嚴寒難題，容易管道結凍影響供水。分析了雪車雪橇賽道的特點及使用要求，以初次制冰和臨時補冰兩種工況共同確定補水管徑。通過重點加強電伴熱保溫和泄水，結合自動控制，實現(xiàn)了雪車雪橇賽道制冰補水要求。
視頻來源：北京冬奧組委官網
0 引言
雪車雪橇比賽是冬奧會雪上競賽中速度最快、危險性系數(shù)高、專業(yè)性強的項目，對競賽場地要求嚴苛，場館建設費用昂貴，后期運行和維護投入不菲。至今為止，全世界有16座標準雪車雪橇場館，分布在11個國家。其中，10座位于歐洲，美國和加拿大各有2座，日本和韓國各擁有1座。中國北京延慶賽區(qū)的國家雪車雪橇中心將成為亞洲第三座滿足奧運比賽要求的雪車雪橇場館，也是中國第一座雪車雪橇場館、第一條雪車雪橇賽道。
國內對于雪車雪橇工程項目的相關設計尚處于空白，缺少技術支撐，缺乏可借鑒的經驗，而雪車雪橇賽道設計的國際經驗具有較強的封閉性，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——賽道設計面臨嚴峻挑戰(zhàn)。
國家雪車雪橇中心位于北京市延慶區(qū)。根據統(tǒng)計資料，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)域為嚴寒地區(qū)，以下為寒冷地區(qū)。
1 雪車雪橇中心賽道特點
國家雪車雪橇中心賽道為構筑物，中心線長度為1 975 m，設置了16個彎道。最高點高程1 017m，最低點高程896.046m，終點高程911.736m，垂直高差121m。賽道兩側高度、弧度各不相同，如圖1所示。
2 給水設計
2.1 設計要求及難點
雪車雪橇中心賽道全部處于室外空間，補水管末端裸露于室外。工藝要求制冰給水龍頭的設置位置應便于制冰師工作時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40m，承壓1.0MPa。
延慶賽區(qū)凍土深度最低達1.8m，制冰補水龍頭裸露于室外，賽事進行時正是寒冷季節(jié)，賽區(qū)室外溫度將低至-32℃。隨著賽事的進行，每滑過一位選手必須及時檢查冰面灑水制冰，因此要求龍頭能隨時迅速出水，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開啟的龍頭數(shù)量，平衡補冰工況和初次制冰工況的流量和壓力。
賽道彎道處受到強大的向心力，彎道左右變換，為防止運動員飛出賽道保證安全，賽道兩側根據受力變化設有高度不一的圍欄或者防撞板，為便于制冰，補水龍頭根據現(xiàn)場條件一般設置在欄板較低一側，由于賽道的彎曲變化導致賽道兩側都有分布補水龍頭，因此部分區(qū)域需要穿越賽道基礎。
2.2 分區(qū)供水
賽道制冰補水水質要求同生活飲用水。市政管網供水水源為1 035m高位水池，賽道補水大部分區(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。制冰補水系統(tǒng)根據供水壓力和現(xiàn)狀賽道地形分割情況，劃分為下列區(qū)域：
出發(fā)段西側，出發(fā)區(qū)1給水加壓泵房引出1根DN50給水管，服務7個龍頭，圖2中接口1。
出發(fā)段東側，3號路市政供水管分別引出2根DN25給水管，2處分別服務1個龍頭，圖2中接口2和接口3。
中間段，松閆路市政供水管引出1根DN80給水管，服務24個龍頭，圖2中接口6。
氨制冷機房北側，松閆路市政供水管引出1根DN32給水管，服務3個龍頭，圖2中接口7。
3號路結束區(qū)段，3號路市政供水管引出1根DN32給水管，服務3個龍頭，圖2中接口4。
3號路結束區(qū)段南側，3號路市政供水供給管引出1根DN40給水管，服務4個龍頭，圖2中接口5。
在賽道各補水引入管上設置水表及止回閥。
2.3 平面布置
（1）補水龍頭布置。根據工藝要求，制冰軟管長度為40m，但是賽道形態(tài)輾轉起伏，高低錯落，考慮折減系數(shù)及制冰師的工作時在冰面行進的流程，布置間距（行走距離）宜為25~30m，保證賽道區(qū)域均在補水龍頭服務范圍內。制冰龍頭末端預留管道扣接口應朝向與賽道平行的方向，便于制冰師使用。
（2）管道敷設。雪車雪橇中心地勢復雜，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雜。整體上，給水管道沿賽道旁的伴隨路敷設，無伴隨路的區(qū)域沿賽道敷設，特殊區(qū)域沿賽道U型槽及賽道基礎支墩敷設。賽道給水管在有U型槽內布置時，不得貼臨制冷管道。此外，給水管道應盡量敷設于凍土層以下或采取相應的電伴熱防凍措施。
（3）管材選擇。賽道最高點和最低點高差達到121m，高差大，承受壓力較大，補水管采用1.6MPa不銹鋼管道。
2.4 水力復核
管道管徑應同時滿足初次制冰和后續(xù)補冰要求，但兩者壓力差距較大。設計應同時滿足兩種工況需求，管道流量計算應以同時動作的噴嘴流量疊加計算，干管以全部水嘴同時作用計算管徑。對于支管，則考慮到后續(xù)補冰需求，應加設減壓閥，通過調節(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個龍頭同時開啟進行工況校核，復核計算結果見表1。
注：噴嘴流量按工藝要求的最大值20 L/min，即0.33 L/s進行計算。局部水頭損失按照沿程水頭損失的15%進行計算。
最不利點10處高程為976m，重力供水水源處標高為1 035m，根據市政供水提供資料，E處供水水頭絕對高程為1032.8m，則在初期制冰工況下同時開啟18個水龍頭的情況下，最不利點10處出流水頭處水壓為1032.8-976-27.254=29.546（m），滿足單個龍頭出水壓力不小于0.2MPa的要求。
2.5 節(jié)點設計
制冰龍頭隨時出水，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計的基礎上增加泄水，每次關閉水龍頭后，凍土層以上區(qū)域管段的充水應迅速泄去。
國外賽道工藝方提供了簡單的節(jié)點設計如圖3所示。按照其設計，給水連接管放置于U型槽側壁，泄水也直接排放于U型槽。
圖3 工藝提供補水節(jié)點
這樣設計存在的問題是因為末端所泄水在U型槽內直接結冰，隨后冰凌范圍逐漸擴大，和保溫管道相接觸，部分水融化后浸潤保溫材料，最終導致電伴熱系統(tǒng)失效，供水管道結凍，補水功能隨之失效。為此，進行了針對性設計。
在龍頭附近設置閥門井，將控制閥門、泄水閥、減壓閥均集中設置于檢查井中，控制閥門和泄水閥均采用電動控制閘閥，實現(xiàn)自動遙控功能。當控制閥門打開時，泄水閥關閉，龍頭處迅速充滿水；當完成補水制冰作業(yè)后，關閉控制閥門，打開泄水閥，控制閥后補水管道內的水迅速泄空。所有閥門及與主管連接的引入管均埋設在冰凍線以下，冰凍線以上管道全部采用電伴熱保溫。對于部分龍頭處附近沒條件設置閥門井的區(qū)域，2~3個龍頭共用一個閥門井，如圖2中26、26.1、26.2共用，30、30.1共用，36、36.1共用，其他編號的水龍頭均單獨設置專用閥門井。具體設計見圖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冰時無須離開賽道即可控制。制冰開始打開按鈕，A閥門開啟B閥門關閉即可制冰。此段制冰完成，離開此制冰供水點，關閉手動閥門，按下按鈕，A閥門關閉，B閥門開啟。
3 結論
（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。防凍保溫的設計應充分考慮所在海拔處的氣候條件，最低溫度的選取應充分考慮實地條件。以本項目為例，根據氣象資料，延慶區(qū)凍土層深度為1.15m，本項目雖然位于延慶，但海拔較高，不能直接采用往年氣象數(shù)據，應針對性的采用項目區(qū)域所在氣象站的資料進行推測，本項目的凍土層深度考慮為1.8m。
（2）針對性采取適宜的節(jié)點設計。單個或者多個補水龍頭設置一個檢查井，檢查井內通過電動閥的控制切換給水和泄水狀態(tài)，同時為方便制冰師的使用，采用電動控制，以保障賽時能及時補水。
（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。
（4）管道的水力計算要考慮初次制冰和臨時補冰兩種工況。初次制冰工況同時開啟龍頭數(shù)量較多，流量較大，末端壓力恒定時會導致設計管徑較大。但臨時補冰工況，一般開啟單個龍頭，流量較小，末端壓力恒定時會導致設計管徑較小。考慮采用減壓閥調節(jié)的方式兼顧兩者需求。同時考慮建造成本，不應該一味放大管徑，徒增造價，應考慮同時工作的制冰師的最大人數(shù)確定同時開啟的最多龍頭數(shù)量，據此作為設計工況，干管也可以不變徑設計。
（5）管材、管道布置和敷設。雪車雪橇中心賽道高差達120 m，管道承壓要求較高，采用不銹鋼管。賽道給水管在有U型槽內布置時，不得貼臨制冷管道，給水管道應敷設于凍土層以下或采取相應的防凍措施。賽道為連續(xù)體，基礎要求極高，穿越賽道底部的管道均應提前預埋。后續(xù)若有遺漏的，無法實施穿越作業(yè)。
文章對原文有修改。原文標題：國家雪車雪橇中心賽道制冰給水設計和難點探討；作者：申靜、李茂林、郭汝艷、楊瀚宇、梁巖、霍新霖；作者單位：中國建筑設計研究院有限公司。刊登在《給水排水》2021年第12期。