長距離輸水管道工程設計問題探討

戴萍

（中機國際工程設計研究院華東分院，江蘇 南京 210023）

長距離輸水管道工程設計問題探討

戴萍

（中機國際工程設計研究院華東分院，江蘇 南京 210023）

以江蘇某地長距離輸水管道工程為例，說明了長距離輸水管道工程在設計中需要解決的管徑選擇、管材確定和設計運行中必須考慮的安全防護技術。

長距離輸水管道；管徑；管材；安全防護

根據《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》（CECS193:2005），距離超過10km的用管道輸送原水、清水的建設工程，即認為是長距離輸水管道工程。本文以江蘇某地的長距離輸水管道工程為例，對長距離輸水管道工程在設計中所需要解決的幾類問題進行探討。該地已有一根長距離輸水管道服務于現狀水廠，管徑為DN1400，管材為PCCP管，管道長度約15km。隨著用水需求的增加，現狀水廠的供水量已不能滿足要求，因此，急需新建水廠，同時配建渾水管道。由于當地水源不能滿足要求，仍需從現狀水源地引水，需再新建一根長距離輸水管道，管道總長約20km。

1 管徑確定

長距離輸水管道由于管道較長，管徑對管道工程投資的影響很大，因此，選擇合理的管徑，是長距離輸水管道工程設計中一項十分重要的工作。管徑增大的優點是管路阻力減小，可降低電耗量與年運行費用，而管徑減小，雖然管道的一次性投資降低，但管路阻力增大，年耗電量和年運行費用增加。現以實例設計如下：該地擬建新水廠分三期建設，一期規模10萬m3/d，二期規模20萬m3/d，三期規模30萬m3/d。（如表1～3）根據供水規模測算，可供選擇的管徑有DN1400、DN1600和DN1800，分別計算管道流速和水頭損失如下。（考慮管線輸送距離較長，自用水系數+漏失率之和取為1.15）?？紤]到工程一次建設可以兼顧水廠一、二、三期的運行要求，DN1400管道在水廠達到三期規模時，管道總水頭損失過大，取水泵揚程過高，DN1800管道在水廠一期水量較低時，管道內水流流速過低，容易沉積泥沙，因此采用DN1600的管徑是較為合理的，如表1～3。

2 管材確定

在大型輸水工程中，由于管材所占投資比例較大，所以進行管道材料比較并選擇合理的管道材料顯得尤為重要。目前我國在工作壓力高、管道管徑大的長距離輸水工程中使用的大中管徑管材主要有預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）。

（1）預應力鋼筒混凝土管（PCCP）。預應力鋼筒混凝土管是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，并在其外部噴水泥漿保護層。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以上大口徑管道具有明顯價格優勢。

表1 水頭損失計算表 10萬m3/d

表2 水頭損失計算表 20萬m3/d

表3 水頭損失計算表 30萬m3/d

（2）鋼管（SP）。具有較好的機械強度，耐高壓，耐振動，重量較輕，單管長度大，接口方便，有較強的適應性，但耐腐蝕性差，防腐造價高。多用在大管徑（DN1200以上）和高壓處，及因地質、地形條件限制和穿越鐵路、河谷和地震區時。

（3）球墨鑄鐵管（DIP）。強度高，耐腐蝕，使用壽命長，安裝施工方便，能適用于各種場合，如高壓、重載、地基不良、振動等條件。缺點是大口徑管材生產廠家較少，價格較高。上述三種管材在長距離輸水管道中都有使用，其中PCCP管最大的優點是其較之其他管道的價格優勢，可以降低工程投資；鋼管對各類地質條件的適應能力強；球墨鑄鐵管是“最安全”的供水管道，且承插施工便捷，在具體使用時，可以結合各種項目類型來選取。本文所選示例工程選取了PCCP管，該管材為該地現狀長距離輸水管材所用管材，該地對該管材的施工和運行維護積累了較為豐富的經驗。

3 安全防護技術

（1）水錘防護。水錘是壓力管道中水在輸送過程中，由于閥門的突然開啟或關閉、水泵突然停止、驟然啟閉等原因，使管道中的流速發生突然變化，同時壓強產生大幅度波動的現象。設計中往往是應用各類計算軟件來進行水泵的停泵、啟泵、關閥、開閥等特殊情況的模擬，并結合具體工程實際，采取水錘防護措施。常用的水錘防護措施有：①調壓塔。調壓塔是一種緩沖式的水錘防護設備，其主要目的是防止壓力管道中產生負壓（水柱分離），一旦管道中壓力降低，調壓塔迅速給管道補水，以防止或減小負壓，避免出現水柱分離，同時在水錘壓力上升時管道中的水倒入塔內可以減小水錘壓力上升。調壓塔結構簡單，安全可靠，易于維護，在正常工作時，調壓塔的水面高程與管道的壓力水頭線等高。②單向調壓塔。單向調壓塔是一種只允許單向流動的調壓塔，主要用于防止管道中產生負壓，與調壓塔相比，單向調壓塔在輸水主管道相連的短管上裝有單向止回閥，水流只能在主管產生負壓時由塔內向主管道引水，防止管道中壓力降低而產生水柱分離，同樣由于管線長，而且全線負壓，需要補給水量大，因此單向調壓塔的高度、容量都較大。③排氣閥。復合式排氣閥用于緩解或消除長距離輸水工程因負壓而造成的斷流彌合水錘時，一般裝設在管線凸起部位，當管內壓力低于大氣壓時吸入空氣，而當管道中壓力上升高于大氣壓時排出空氣，能夠有效降低長距離輸水系統斷流彌合水錘危害。三種措施均可以有效減小管道水錘事故發生的風險。同樣以上述工程實例進行水錘分析計算，由于工程所在地基本為平原地區，因此水錘發生的風險性較小，采用較為簡便的水錘消除措施——設置排氣閥，共設置了36只排氣閥。排氣閥設置后，水錘分析結果如下：吸水井在低液位時水錘分析結果（如圖1），吸水井在高液位時水錘分析結果（如圖2）。

圖1 事故停泵工況全線水擊包絡線（吸水井低液位）

圖2 事故停泵工況全線水擊包絡線（吸水井高液位）

（2）連通管的設置。為滿足檢修要求，長距離輸水管道一般采用雙管線布置，同時根據規范要求，管道檢修時輸水量不少于設計輸水量的70%，因此長距離輸水管道需要在兩根輸水管道之間設置連通管，連通閥的設計是在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。連通管的數量和管徑應保證在分段檢修情況下滿足設計供水量的70%，經計算確定。示例工程新建管道與現狀DN1400渾水管連通，連通管管徑經計算取為DN1400。

4 結語

在長距離輸水管道設計中，由于管道投資占工程總投資比重較大，管材、管徑的選擇必須結合工程實際進行綜合技術經濟比較確定。同時由于長距離輸水管道的壓力高，在設計中必須考慮安全運行措施和便于檢修的措施。本文就江蘇某地的長距離輸水工程在設計中遇到的一些問題進行了論述介紹，但關于長距離輸水工程的技術及安全措施還需要更深入的研究與提高。

[1]朱滿林, 沈冰, 張言禾, 等.長距離壓力輸水工程水錘防護研究[ J] .西安建筑科技大學學報:自然科學版, 2007,39(1):40-43.

[2]劉之平，夏慶福，孫雙科. 跌坎底流消能水流再附長度的數值模擬研究［J］. 水力發電學報，2012，31( 1) : 162-167.

TU991

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：1671-0711（2017）12（下）-0168-02