長距離輸水管道事故產生原因及對策分析

高 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司， 遼寧 沈陽 110000)

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長距離輸水管道事故產生原因及對策分析

高 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司， 遼寧 沈陽 110000)

本文就當前長距離輸水管道事故發生的原因進行全面總結，深層次地探討事故產生的原因，并有針對性地提出降低長距離輸水管道事故發生的對策。

長距離輸水管道; 事故; 原因與對策

1 引 言

隨著水資源的緊缺和分布不均，輸水距離變得越來越遠，跨地區、跨流域、高揚程、大流量輸水逐漸成為供水行業普遍的現象。但是由于輸水路徑長、輸水管徑大、地質復雜等原因，長距離輸水管道常常發生漏損、爆裂等事故，如何降低和控制長距離輸水管道事故發生成為供水行業關注的焦點。

2 長距離輸水管道事故原因分析

2.1 管材方面

灰鑄鐵管是當前大多數長距離輸水所采用的管道，由于其鑄管工藝是以連續澆鑄的方式進行生產，生產出的鑄鐵管在投產運行時達不到工程設計和使用標準，常發生管道斷裂、漏損等現象[1]。究其原因是連續鑄管工藝在拉管脫模過程中，采用激冷凝固的方式。雖然該種方式具有產量高、成本低、工藝簡單等優點，但也存在著一些不可忽視的缺陷。首先是缺乏相關退火工序，致使管壁溫度應力無法消除，在管道表面形成過冷石墨層，在具體使用過程中表現為抗震性不強、沖擊力弱、抗拉抗彎性低等特點。其次是拉管速度和鐵水液面高度采用人工控制，致使管道組織不一致，管道內部出現許多小穴，在具體使用過程中表現為承載能力低。再次是管體易出現黑渣、重皮、氣孔等鑄造缺陷。一旦這些鑄造缺陷出現在應力較大的部位，當最大應力達到強度極限時，則表現為管身在此處斷裂。

2.2 接口方面

首先表現為接口剛性太強，隨著輸水管道的長期運行，由于地基、土質的變化以及人為因素的干擾，常常使管道發生不均勻沉降，如果管道接口剛性太強，則常常在管道中間區域發生破裂。其次是接口施工太差，在輸水管道接口施工過程中，如果接口處周圍水泥夯實不結實，油麻填塞不均勻，輸水管道在運行期間勢必在接口處會出現漏水現象。

2.3 施工方面

在具體施工過程中，未能按照要求夯實管道兩旁的覆土，特別是對于長距離大管徑管道，管道破裂的可能性大大增強；管道埋設基礎較差，未能對埋設過程中出現的硬物、石塊等進行清理，或者鋪設管線的地質較為松軟，造成管道局部應力集中，一旦應力集中過大，則會在該部位發生破損；對于一些大口徑丁字、彎頭管道，如果未能設計支墩或設置支墩后座土坡松動，將大大增加管道位移的可能性；在管道焊接時，未能及時對管道焊縫中的氣孔、尖渣等情況處理，焊接質量也直接影響管道事故發生[2]。

2.4 腐蝕問題

隨著時間的推移，管道在土壤中常常發生細菌和電化學方面的腐蝕，管道將局部發生生銹、脆化、開裂、穿孔，甚至出現爆裂等現象。例如，鐵細菌排出的氫氧化鐵，有時能夠堵塞水管過水截面。

2.5 水擊現象

水擊是指由于外界因素，管道中的水流狀態突然發生變化，進而導致水壓發生劇烈波動而引起的現象。當水擊波周期大于水流突變的時間，這種水擊稱為直接水擊；反之，則稱為間接水擊。通常情況下，長距離輸水管道水擊是直接水擊。直接水擊所產生的壓強:

而

式中α——水擊波的傳播速度，m/s；

α0——水中聲波的傳播速度，m/s；

P——水的密度，N/m2；

R0——水擊前的水流速度，m/s；

R——水擊后的水流速度，m/s；

E——管壁的彈性模量，Pa；

E0——水的彈性模量，Pa；

δ——管壁厚度，mm；

D——管徑，m。

由此可得如下結論：對于同一種管材而言，管壁越薄，管徑越大，則水擊壓強越小，反之，則水擊壓強越大。

值得一提的是，通過上述公式計算所得的水擊壓強值要比實際產生的小，這是因為實際還存在管道氣蝕和摩阻的影響。在這種水擊現象下，管道將會發生變形，甚至會出現破裂現象。特別是在多波源水擊波共振的情形下，水擊壓強產生的破壞效果將更加嚴重。

2.6 內外荷載

隨著城市建設的發展，人們對于輸水管道總體水壓的要求越來越高，進而對管道產生的壓力也就越來越大，因此，管道事故發生的概率也就大幅度增加。同時，一些管道埋設深度太淺，加之重型機械的碾壓和車輛運輸頻率的增加，這種情況的存在致使管道的動荷載增加。此外，由于各種管道的新建和升級改造，管道與管道之間原有外力荷載將發生變化，從而導致在管道接口處發生漏水、爆裂等現象。

2.7 低溫

冬季是長距離輸水管道常發事故的季節，究其原因是冰凍荷載和溫差應力的存在。其中冰凍荷載是指在溫度低于0℃時，將會發生土顆粒凍結和析冰作用，土壤的體積將會凍脹，從而對管道產生較大的凍脹力，并且凍脹力與溫度之間呈現出反比例關系，與冰凍層厚呈現正比例關系。而溫差應力亦稱溫變壓力，是指隨著溫度的變化，管壁上所產生的軸向應力。當天氣變冷時，這種溫差應力表現為向拉應力；當天氣變暖時，這種溫差應力表現為向壓應力。隨著管道周圍溫度的變化，這兩種應力也在不斷變化，從而導致由于疲勞破壞而發生斷裂破壞。

2.8 其他工程的影響

管道正常運行后，不可避免地受到一些拔樁、堆土、開挖管渠等工程施工的影響[3]。具體變現為在管道附近打樁時，由于振動及擠壓土壤的影響，易使偏樁的另一側和管道上側方向凸起，從而損壞管道；在拔樁時，則會在相反的方向上損壞管道；在降低埋設管道附近地下水位時，管道將不同程度產生不均勻沉降，從而損壞管道接口；在埋設管道附近開挖深溝時，會使管道底部發生向下位移，從而對管道產生破壞。

3 降低長距離輸水管道事故發生的策略

3.1 合理選擇管道材料

逐漸淘汰連續澆鑄鑄鐵管，選擇一些內壁粗糙系數低、安全可靠性高、使用壽命長的管道材質。對于管徑要求在75～150mm的管道，應采用球墨鑄鐵管或PVC、PE材質的管道；對于管徑要求在200～1500mm的管道，應采用玻璃纖維增強管、預應力混凝土管或者球墨鑄鐵管；對于管徑要求超過1500mm的管道，應采用鋼管、薄壁鋼筒預應力混凝土管。

3.2 采用柔性接口

石棉水泥接口剛性強，在溫差應力、不均勻沉降的情況下，管徑較大管道容易發生承口豁裂，管徑較小管道容易產生環向裂縫，所以，應采用柔性接口。例如，橡膠圈式的柔性接口可以有效避免不均勻沉降、溫差應力所產生的各種不利應力[4]。

3.3 加強施工技術管理

在施工過程中，首先采用黏土或砂對管底地基進行平整，避免一些石塊、鋼筋等堅硬物質對管道構成集中荷載。其次在設置閥門等配件時，最大限度地使管道與基礎的沉降量相互接近，砌閥門井時為了防止沉陷不同對管道的損壞，應在管道旁留有空隙。再次，對于管道覆土應注意密實度要一致，并且管道附近不能有堅硬物質。最后，對于較大管徑管道的彎頭，應設置一些支墩防止管道移動，支墩背后的土應用取原土，并在水壓試驗時，密切關注相關接口和支墩的移動情況。

3.4 強化管道防腐措施

通常情況下，金屬管道的防腐對于管道輸送能力和使用壽命起著重要作用。一是實施管壁保護涂層。對于球墨鑄鐵管和一般鑄鐵管管壁應采用環氧媒瀝青或瀝青涂料，對于鋼管應采用環氧媒瀝青和玻璃纖維布進行四油三布或三油二布保護。然而，在現實生活中，并不是所有的土壤腐蝕條件都相同，因此，應根據不同的土壤條件實施不同的防腐措施。二是實施陰極保護。按照腐蝕電池原理，將金屬管變成為陰極就可以達到防止腐蝕的目的。根據所采用方法的不同，可分為犧牲陽極法和外加電流法兩種方法，其兩種方法之間的優缺點見右表。

值得一提的是，應根據土壤環境、運行管理等實際情況合理選擇犧牲陽極法與外加電流法，經過表中兩種方法的分析比較，長距離輸水管道在無可靠交流電源,市區內的管線地段采用犧牲陽極法，在其他管線地段采用強制電流法，并且設置陰極保護站。

3.5 合理控制輸水管道水壓

水壓過高勢必會增加長距離輸水管道事故發生的概率。因此，在保證水量、水壓和水質的基礎上，通過裝置泄壓水池、調整泵的運行等方法降低長距離輸水管道供水壓力，減少管道漏損水量。

3.6 注重輸水管道設施配備和日常維護

因地制宜，在長距離輸水管道中應設置水擊消除器、排氣閥等設施；在泵房按照要求設置關閉止回閥；在充水時需打開消火栓、排氣閥。并注重管道的日常養護管理、檢修等工作，確保管道排氣通暢，在啟用閥門和泵時能夠按照要求嚴格執行。

4 結 語

綜上所述，引發長距離輸水管道事故發生的因素是多方面的。因此，在對管材、接口、施工質量嚴格把關的前提下，提前預防非恒定水流所引起的水壓、水擊等現象。只有這樣，才能降低長距離輸水管道運行中管道發生的滲透、爆破等事故。

[1] 李助惠.長距離管道輸水工程幾個問題硏究[D].銀川:寧夏大學，2015.

[2] 練繼患,穆樣鵬,趙新.輸水工程水力特性與控制[M].北京:中國水利水電出版社,2012.

[3] 黃國濤.長距離輸水管道事故分析[J].工程與建設，2015(1).

[4] 楊志峰.杭州蕭山長距離大口徑輸水管道設計總結[J].給水排水,2012(4).

Analysis on accident reasons and countermeasures of long-distance water conveyance pipeline accident

GAO Peng

(Liaoning Civil and Hydraulic Engineering Consulting Co., Ltd., Shenyang 110000, China)

In the paper, the reasons of current long-distance water conveyance pipeline accident are comprehensively summarized. Accident reasons are deeply discussed. The lowering accidents countermeasures of long-distance water conveyance pipeline are proposed in a targeted mode.

long-distance water conveyance pipeline; accident; causes and countermeasures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.016

TV672+.2

A

1005-4774(2016)12- 0061- 03