平原區長距離PCCP輸水工程設計探討

韓福濤

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

隨著我國國民經濟的快速發展，人民生活水平逐漸提高，對各種自然資源的需求也越來越多。如今不少城市的水資源日益緊缺，全國各地長距離輸水工程逐漸增多。安徽省某輸水工程位于皖北平原，設計流量5.0m3/s，管線長度約32.0km，在管道末端建設調蓄水庫。本文重點研究該工程前期設計期間的六個問題。

1 管線布置

管線布置一般按以下原則確定：（1）應結合現場調查的實際地形地貌，了解城市道路管網規劃，在不妨礙工程管線正常運行、檢修和合理占用土地的情況下，使線路短捷；（2）盡可能沿現有、規劃公路布置，以利于施工、管理及維修；（3）管線穿越鐵路、公路、河流、溝渠時盡量正交；（4）管線縱向布置結合管道水力過渡過程研究成果確定，正常輸水條件下，管道最小內水壓力包絡線，應高于管頂不小于2.0m。

2 管材選用

平原區輸水管道沿線多為平坦的土地，沿線村莊多，道路交叉干擾多。同時管道運行期間，上覆土層仍在進行土地耕種等生產活動，要求管道除具備較高的抗內壓強度外，還應具備較高的抗外壓水平。

管線一般可供使用的管材有：鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）等，管材選用應根據其設計內徑、設計內水壓力、敷設方式、外部荷載、施工和材料供應等因素，通過技術、經濟、安全等方面綜合比較確定。

鋼管是傳統的輸水管材，特點是耐高壓、耐振動、質量輕、單管長度大和接口方便，穿過多變地形或鐵路、河谷時通常作為首選。但承受外荷載的穩定性差，耐腐蝕性差，管壁內外都需有防腐措施，而且造價較高。

球墨鑄鐵管利用離心力鑄造成形，管壁致密，石墨形態為球狀，基體以鐵素為主，伸長率大，強度高，性能與鋼管相似，具有柔韌性，適應突發力強，且抗彎強度比鋼管大，使用過程中管段不易彎曲變形，能承受較大負荷，材料耐腐蝕性好，一般不需作特殊防腐處理，其接口為柔性接口，具有伸縮性和曲折性，適應基礎不均勻沉陷。

PCCP 管是一種鋼性管材，它是帶有鋼筒的高強度混凝土管芯纏繞預應力鋼絲，噴以水泥砂漿保護層，采用鋼制承插口，同鋼筒焊在一起，承插口有凹槽和膠圈形成了滑動式膠圈的柔性接頭，是鋼板、混凝土、高強鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復合結構，具有鋼材和混凝土各自的特性。PCCP 管具有合理的復合結構、承受內外壓較高、抗裂及抗滲能力好、接頭密封性好、抗震能力強、施工方便快捷、防腐性能好、維護方便、運行費用低、適用范圍廣等特性，被工程界所關注，廣泛應用于各類工程建設中。

長距離輸水工程一般保證率要求較高，供水管道不宜少于兩條。該工程建有調蓄水庫，選用一條。

前期設計中綜合比選了以上三種管材，最終確定選用單條PCCP，內徑2.0m，流速為1.59m/s。

3 水頭損失計算

水頭損失計算是平原區長距離輸水的重要內容之一，因泵站的設計揚程一般不大，而水頭損失可能是設計揚程的數倍。輸水管路水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失之和，其中沿程水頭損失按照《室外給水設計規范》（GB 50013-2006）中的公式（7.2.2-2）計算：

參照該規范，管道計算時，y 取1/6，n 的取值范圍0.011～0.0125。考慮到類似工程的經驗和該工程的實際運行特點，隨著管道運行時間的增加，n值一般會逐漸增加直至穩定；實際運行中可能會有污物附著于管壁，造成n 值增大，綜合以上因素，該工程n 值設計時取0.0125；當選定水泵后，對水泵在n 值在0.011～0.012 范圍進行校核，以驗證水泵是否能正常工作。

局部水頭損失按照以下公式計算：

經計算，該工程hy=31.39m，hj=3.24m。

綜上，管道的水頭損失為34.63m。該工程加壓泵站的設計揚程為8.55m，水頭損失是設計揚程的4.05 倍。此外，水泵選型時尚需考慮泵房內部水頭損失、管道出口壓力等。

4 閥井布置

根據相關規范要求和工程特點，該工程設置了排水閥井、檢修閥井、流量計井、調壓塔井、空氣閥井、出口閥門井等設施。

4.1 檢修閥井

該工程管路長度約32.0km，輸水管線設置檢修閥門用于事故時分段放水檢修，根據《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規范》（CECS193:2005）的規定，每5～10km 宜設一處檢修閥。該工程需跨越4 條河流和多條大型渠道，根據工程特點和規范要求，將管路分成5 段，約6 公里設置一處檢修閥，共設置4 座檢修閥井。

4.2 排水閥井

為便于管道排泥和管道檢修排水以及管道爆管維修的需要，設置排水閥。根據檢修閥井的設置和管路的分段，在每段的管路低處設置排水管閥，在兩個檢修閥之間管段，每段設置2 處排水閥井，全段管路共設置10 處排水閥井。

4.3 流量計井

在泵房出口管路處、管路進入水庫前設置流量計，同時由于該工程管路距離較長，為監測流量變化和監測爆管的位置，在管路中間管段亦設置流量計，共單獨設置3 處流量計。

4.4 雙向調壓塔井

根據水錘計算成果，宜設置雙向調壓塔井對管道進行防護設計。該工程共設置了3 座調壓塔井，井內設置雙向調壓塔、Y 型濾水器、手動蝶閥等，具體位置應根據水錘計算結果確定。

4.5 空氣閥井

根據水錘計算成果及相關規范要求，在管路高程變化段和沿平直段每隔一定距離設置空氣閥。輸水管道在坡度小于1‰時，宜每隔0.5～1.0km 設置進氣排氣閥。該工程最終共設置空氣閥井44 處。

4.6 出口閥門井

在管路進水庫前設置出口閥門井，井內設置液控止回蝶閥防止故障時水庫水倒流，設置流量計監測管道末端流量。

5 管材防腐與安全監測

PCCP 常規的防腐方案一般有陰極保護、無溶劑環氧煤瀝青涂層等。PCCP 防腐涂層應根據管道的重要性、所處環境條件和經濟等因素確定。勘測階段應進行管道沿線土壤和環境水的腐蝕性檢測，根據腐蝕性等級確定合理的防腐方案。

陰極保護技術適用于埋地PCCP 的腐蝕控制和防護，陰極保護系統分為犧牲陽極和強制電流兩種方法，通常采用犧牲陽極法，其設計、施工和運行應與主體工程同步進行。

無溶劑環氧煤瀝青綜合了環氧樹脂和煤瀝青的優點，防腐層具有優異的抗化學介質腐蝕和滲透性，良好的物理機械性能，還具有優異的電絕緣性、抗水滲透性、抗微生物侵蝕、抗雜散電流、耐熱、耐高溫驟變等優良性能，具有極好的防腐性能，在管道防腐方面有著廣泛的應用。

PCCP 安全監測項目應根據壓力管道的級別、結構特點和地質條件，對主要受力構件、鋼絲應力、內水壓力、位移、斷絲等項目選作。同時，施工期和運行期安全監測設備應采取有效的保護措施，檢測儀器設置后即應取得基準值，并開始監測，及時整理分析資料。

6 止推設計

管道在平面轉彎處、高程縱向變化處均有較大的水壓力，做好止推設計是PCCP 輸水工程中的重要內容。鎮墩承受的內水推力與管道的設計壓力、截面積、轉彎角度有關，一般通過鎮墩的自重、土的抗力來抵消內水推力。內水推力較大時，也可考慮采用限制性接頭措施。

鎮墩設計時，尚應考慮地質條件、地下水位等因素，合理確定鎮墩尺寸，達到安全、經濟的目的。

7 結語

長距離輸水工程投資大，管線布置限制因素多，水錘效應復雜，涉及的專業較多，需工程技術人員精心設計，通力配合，為工程實施打好基礎■