淺論長距離輸水管道的設計

霍禮鋒

【摘要】長距離輸水工程是解決用水量迅速增加的主要措施之一。輸水管道在新材料、新技術應用方面有了較大進步。管道投資占整個輸水工程的絕大比重，因此管材的選擇應從工程的規模、重要性、管徑、工作壓力、地形地質、工期、資金等方面綜合分析確定，以達到性價比最優。

【關鍵詞】長距離輸水管道；管材；管徑；工作壓力；措施

1. 長距離輸水管道管材的選擇

隨著我國經濟發展和城市化進程的加快，城市及工業用水量迅速增加，長距離輸水工程是解決用水量迅速增加的主要措施之一。輸水管道在新材料、新技術應用方面有了較大進步。管道投資占整個輸水工程的絕大比重，因此管材的選擇應從工程的規模、重要性、管徑、工作壓力、地形地質、工期、資金等方面綜合分析確定，以達到性價比最優。

常用的輸水管道有鋼管、球墨鑄鐵管、預應力混凝土管、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼管、聚乙烯塑料管（PVC-U）、超高分子量聚乙烯管等，就上述管材選擇說明比較如下。

1.1鋼管。鋼管應用歷史較長，范圍廣，是一種傳統的輸水管材。鋼管一般選用螺旋焊接與直縫焊接管，具有強度高、可靠性高、適應性強等優點，但耐腐蝕性差，使用壽命一般不超過25年。為延長鋼管壽命，需對其進行防腐處理和保護，其方法可采用涂料加犧牲陽極的復合防腐措施。鋼管內、外防腐采用國家衛生部許可的GZ-2新型高分子防腐涂料，內壁防腐級別為普通級，采用二底二面，漆膜干膜厚80～100μm；外壁防腐級別為重加強級，采用二布四油，漆膜干膜厚280～300μm；犧牲陽極保護塊間隔一定距離通過電纜與鋼管連接，加強鋼管的抗腐蝕能力。通過涂料加犧牲陽極的復合防腐措施，可使鋼管壽命達50年，但施工復雜，工期長，造價較高。

1.2球墨鑄鐵管。球墨鑄鐵管是上世紀九十年代廣泛應用的輸水管材，具有強度高、韌性好、延伸率大、耐腐蝕等特點，內壁襯水泥磨光防腐，外壁采用噴鋅后涂瀝青防腐，采用柔性T型接口，適應變形能力強，止水效果好，是一種較理想的輸水管材。

1.3預應力混凝土管。預應力混凝土管按其生產工藝分兩種，一種是一階段管即一次成型；一種是三階段管。預應力混凝土管因加工工藝簡單，造價最低，但管材生產過程中存在弊病，如三階段噴漿質量不穩定，易脫落和起鼓；一階段管在施加予應力時不易控制，造成質量不穩定、不均一，且因重量大造成運輸安裝不方便，使其應用受到了限制，該管道為最經濟的管材，可根據供水重要性適當選用。

1.4預應力鋼筒混凝土管（PCCP）。預應力鋼筒混凝土管是一種鋼筒與混凝土制作的復合管。管芯為混凝土，在其外壁或中部埋入厚1.5mm鋼筒，在管芯上纏繞預應力高強鋼絲，并在其外部**泥漿保護層。該管抗滲性能較好，接口采用鋼制承插口，尺寸較準確，設橡膠止水圈，止水效果較好。1000mm以上管徑具有明顯價格優勢。

1.5玻璃鋼管。玻璃鋼管全稱纏繞玻璃纖維增強熱固樹脂加砂管，該工藝是以樹脂為基本材料，玻璃纖維及其制品為增強材料，以石英砂為填充材料而制成的新型復合管材。玻璃鋼管采用承插式連接，橡膠圈止水，具有耐腐蝕、重量輕、強度高、不結垢，尤其內壁光滑，水力學性能好，造率系數僅為0.009，是鋼管的70%，被稱為“水力學光滑管”，在長距離輸水管道中具有廣闊發展前景。

1.6聚乙烯塑料管（PVC-U）。聚乙烯塑料管是一種傳統輸水管材，具有耐腐蝕、重量輕、運輸安裝方便等優點，管徑一般小于等于800mm。400mm以下管徑較為經濟。

1.7超高分子量聚乙烯管。超高分子量聚乙烯管是一種新型工程塑料管道，具備了聚乙烯管優點外，還具有高抗沖擊性，其沖擊強度是聚乙烯管的4倍，高耐磨性，可達聚乙烯管的10倍，提高了使用壽命，管道連接采用電熱融焊接工藝，有效防止結點滲漏和開裂。上述管材詳見表1。

（1）從安全方面，鋼管、球墨鑄鐵管，PCCP管比較安全，特別在工壓高，管徑大，管線起伏較多的工程中。鋼管要特別注意防腐處理以延長使用壽命；玻璃鋼管特別注意出廠管材的質量檢查，選用合適的剛度。

（2）從經濟方面，預應力混凝土管最為經濟；400mm以下管徑優先選用PVC-U和超高分子量聚乙烯管，其次為玻璃鋼管；500～800mm管徑優先選用玻璃鋼管，其次為球墨鑄鐵管；1000mm以上管徑優先選用鋼筒管，球墨鑄鐵管價格較高。

2. 長距離輸水管道管徑的選擇

（1）長距離輸水管道投資占輸水工程的絕大比重，管徑增大，管道一次性投資增大，管路阻力減小，可降低電耗量與年運行費用，相反管徑減小，可降低管道一次性投資，但管路阻力增大，年耗電量及年運行費增加。因此如何確定一個合理的管徑，是長距離輸水管道設計中的一項十分重要的工作。

（2）確定經濟管徑的方法可采用費用現值最小法。假設不同的管徑，計算出管道的一次性投資，然后根據供水流量、管長、管徑、管材計算凈揚程，再由凈揚程、流量等計算裝機容量，從而計算年運行費，按費率和年限折現，求出費用現值，其中最小費用現值對應的管徑即為經濟管徑。

（3）現以下列實例計算如下：供水流量500m3/h，全年供水，單根管道，輸水距離分別為5Km、10Km及15Km，進出口水頭差及出口壓力值共計0.15MPa，管材為球墨鑄鐵管，糙率系數n=0.013，折現率i=6%，折現年限N=30a，折現系數13.76（見表2）。

（4）管徑為經濟管徑。通過上表的計算分析，不僅可選擇其經濟管徑，并隨輸水距離增長和管徑減少，費用現值增長較快。因此長距離輸水管道宜根據工作壓力選擇較大管徑，減少管路阻力，降低年運行費，使費用現值最小。

3. 長距離輸水管道工作壓力的選擇

（1）長距離輸水管道各段工作壓力不同，管道進口（泵站出口）壓力最大，管道出口壓力最小，并受地形起伏的影響。設計過程中應根據工程具體情況計算出管道沿線的工作壓力，包括水錘壓力和檢修情況，以選擇管材壓力值。

（2）鋼管和球墨鑄鐵管強度高，管材工作壓力一般為1.6MPa，對價格影響較小，其它材料管道工作壓力不同對價格影響較大。預應力混凝土管工作壓力為0.4～1.2MPa，分五級；預應力鋼筒混凝土管工作壓力為0.4～2.0MPa，分九級；玻璃鋼管工作壓力為0.6～2.0MPa；聚乙烯管為0.6～1.0MPa；高級聚乙烯管為0.4～2.0MPa。上述管材工作壓力每提高一級，增加管材投資20%左右。因此長距離輸水管道設計中必須根據計算壓力值，分段選擇其工作壓力，達到安全與經濟的完美結合。

4. 長距離輸水管道防護技術與安全措施

4.1水錘的防護。水錘是壓力管道系統防護的重要內容，在長距離輸水管道中，流速變化是經常出現的，管道中流速變化時，致使管道中水的壓力的升高或降低，在壓力低于水的汽化壓力時，水柱就被拉斷，出現斷流空腔，在空腔處的水流彌合時將產生強烈的撞擊，管道中的水升壓，形成水錘。水錘有啟動水錘、關閉水錘、停泵水錘。一般啟動水錘不大，只是真空情況下，管中空氣不能排出而被壓縮時才會加劇水位壓力的變化；關閉水錘在正常操作時不會引起過大的水錘壓力；但由于突然停電或事故停泵所產生的水錘往往較大，水錘壓力值可達到工作壓力的1.5～3倍。一般采取技術工程措施加以防護，在水泵出口處設置水錘消除器、緩閉止回閥、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。

4.2排氣閥的設置。管道初次輸水時，管道內存有空氣，管道運行時，實際上是水汽兩相流。因此在長距離輸水管道設計時，必須重視排氣閥的設置，其數量應根據沿線地形、地質情況，合理確定管道的縱向布置，一般人為的每隔一定距離布置成一個高點，在駝峰處布設排氣閥，防止管道的氣蝕和振動，以影響管道輸水及安全。

4.3連通管的設置。長距離輸水管道按有關規范規定，一般采用雙管線布置，以滿足檢修需要，檢修時供水量應不少于設計供水量的70%，為達到此目的，應在二根主管之間設置連通管，在每根連通管處的主管上下側設置2個閘閥，共4個閘閥，以達到分段檢修目的。連通管的數量可根據輸水管線的長度，在分段檢修情況下滿足設計供水量的70%，經計算確定，一般設置3處連通管。

5. 結束語

在長距離輸水管道設計中，管道投資占輸水工程的絕大比重，管材、管徑及工作壓力的選擇必須根據工程規模、重要性、地形地質等進行經濟比較綜合分析確定，許多技術及安全措施還有待更深入的研究與提高。