長距離低水頭有壓重力流輸水管道設計方案探討

陳 會，肖 燁

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430070)

隨著國民經濟的飛速發展，建設引調水工程越來越成為緩解區域水資源匱乏的有效途徑。如何減少輸水過程中的損失，提高水的利用率和用水安全是引調水工程中需要考慮的重點。相比于泵流輸水，重力流輸水方式能最大限度地利用水的勢能，不需要外界提供動力、清潔節能、運行管理方便簡單。重力流輸水從水力學角度可分為無壓重力流輸水和有壓重力流輸水[1]。無壓重力流輸水明渠需要采用較大的過水斷面，水頭損失較大，且沿線永久占地問題難以解決。為了盡量節約水頭、減少沿程水頭損失，有壓重力流輸水是一種值得研究探討的輸水方式。相比于無壓流輸水已在實踐中積累了豐富的設計和施工經驗，重力流輸水管道，尤其是長距離低水頭有壓重力流輸水工程，由于工程實例并不多見，許多問題尚需要在實踐中研究解決。

本文以實際工程為基礎，探尋長距離低水頭有壓重力流輸水管道的設計方案，對輸水管材、管徑進行綜合比選。

1 工程概況

近年由于澤口閘附近漢江河段河床下切明顯，澤口閘引水能力降低，導致澤口灌區灌溉保證率下降，設計水平年保證率達不到設計要求。為恢復澤口供水區供水保障程度，改善特枯水年澤口供水區供水狀況，保障通順河等主要河流生態用水，恢復和增加通順河等主要河流水環境容量和質量，實施引隆補水工程規劃及可行性研究。

經分析研究以及規劃審批，該工程總體布局為：取水水源位于興隆庫區，輸水終點位于澤口灌區深江新閘后1.5 km處，線路總長約40.1 km。取水口水位35.70 m，受水點水位27.51 m，水頭差僅為8.19 m，設計流量35 m3/s。因沿線基本農田遍布，且水頭緊張，有壓重力流輸水管道在本工程中有明顯適用性。

2 管道設計方案

2.1 管材種類

根據類似工程經驗，特別是近幾年我國引進大量的新型管材和新的生產工藝后，大型長距離輸水工程大多在球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)與玻璃鋼管等管材中選擇。工程水頭小，距離長，所采用的管徑越大，則流速越小，水頭損失也越小；因而有壓重力流輸水方式必定需要在大口徑輸水管道中選取。可見，管材的比選與管徑的選擇是密切關聯的。

國內球墨鑄鐵管最大口徑為DN2600。PCCP標準[2]和玻璃鋼管標準[3]中最大管徑均可達到DN4000。國內應用的PCCP最大口徑為南水北調中線京石段應急供水工程中使用的DN4000；玻璃鋼管最大口徑為新疆北疆供水一期工程小洼槽倒虹吸使用的DN3700，標準最大口徑玻璃鋼管未在工程實踐中進行檢驗。因此，將PCCP管作為備選方案之一。

由于以上幾種管材在管徑方面的局限性，近年來，國內采用盾構法敷設大口徑輸水管道的工程實例漸次出現，如上海青草沙水源工程(內徑5.5 m)[4]、南水北調中線穿黃工程(內徑7.0 m)[5]等。輸水管道可直接為盾構管片，也可為盾構管片+內襯鋼管或鋼筋混凝土管的結合體。不論是直接采用盾構管片輸水，還是選用盾構管片內襯鋼筋混凝土管，管道材質均為鋼筋混凝土，因此，為適應本工程特點，將鋼筋混凝土管道作為備選方案之二。

2.2 管徑比選

管徑選擇與經濟流速、水頭損失等有關。在同等條件下，隨著管徑的增大，流速越小，管路水頭損失減小，但管道造價相應會增加。相反，管徑減小，流速越高，水損越大，能量消耗較高，但可降低管道造價。

計算管道沿程水頭損失，對于沿程均一管徑的管道沿程水頭損失按下式計算：

hf=v2L/(C2R)

式中：hf為沿程水頭損失，m；R為水力半徑，m；C為謝才系數，C=1/n(R1/6)；n為管道糙率系數，PCCP管糙率系數取值0.011 9[6]，鋼筋混凝土輸水管糙率系數取值0.014。

考慮本工程管道沿線拐點、轉彎較多，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%進行估算[7]。編制Excel水力計算表格，采用經濟水頭損失的方法計算經濟管徑。在滿足重力流的情況下，盡可能地減小管徑，設法將工程水頭充分利用，以此計算的管徑即為經濟管徑，工程投資最小。PCCP管的計算原則為按照目前國內規格選取公稱直徑，增減根數直到所選管道方案能滿足重力流輸水條件。為與國內盾構機工作面直徑相適應，同時也為減少盾構設備費用，盾構法敷設混凝土輸水管僅對單管和雙管方案進行計算，見表1。

表1 輸水管道水頭損失計算

經計算可知，若采用2根PCCP管，管徑取標準中最大值DN4000時，水頭損失仍較大，不能滿足重力流輸水的要求；增加根數，采用3根DN3800PCCP管時，總水頭損失明顯減小，達到重力流輸水條件。然而，由于PCCP管僅能從既有規格直徑中選取，3根DN3800PCCP管方案在滿足重力流輸水條件的同時，未利用水頭達1.11 m，尚不經濟。盾構法敷設混凝土輸水管時，單管方案采用內徑6.0 m、雙管方案采用內徑4.6 m時既能滿足重力流輸水條件，又能使未利用水頭最低，分別僅為0.47、0.23 m，較為經濟。

2.3 投資對比及方案選擇

通過管材、管徑的綜合比較，初擬了3根PCCP管、2根內徑4.6 m混凝土輸水管、1根內徑6.0 m混凝土輸水管的備選方案。計算不同管道方案的主要土建工程直接投資，在輸水線路總長度上進行分攤，得出各方案的單位線路長度投資對比見表2。

表2 輸水管道方案投資對比

PCCP管方案投資最大，主要原因在于：①PCCP管需通過埋管法布設輸水管道，土方開挖回填工程量大；②管槽開口線寬度估計約50 m，臨時占地面積大、拆遷補償成本較高；③工程區水資源豐富，地下水常年保持在地表以下1 m處，基坑開挖穩定邊坡須緩于1∶2，受施工機械振動、降雨等影響，基坑邊坡易產生滑移，臨時排水及邊坡處理工程量較大。同時，由于管道沿線基本農田遍布，臨時征用、組織協調難度極大。

混凝土輸水管單管方案在工程投資上優勢較大，比PCCP管方案節省投資約16.6%，比雙管方案節省約13.3%。盾構法敷設輸水管道不受地表因素的控制，除工作井外，不構成沿線大規模臨時占地。采用盾構法施工，按工程地質條件進行設備選型，是隧道施工的關鍵環節[8]。適應本工程地下水豐富的特點，選用泥水加壓平衡盾構技術可以有效穩定開挖面地層，降低對地層的擾動，且通過泥水形成的泥膜有效地防止涌水，通過同步注漿可以很好地控制地表下沉且能避免發生管片滲漏，在滲透系數大、水土壓力較大的富水地層中能較好地控制施工風險[9]。

相比于單管方案，雙管方案的優勢在于其輸水可靠度較高，一旦某根管道發生故障，另一管道仍可正常供水。然而，本工程水頭較低，管道內最大工作水頭約0.4 MPa，設計流速僅1.24 m/s，管道發生故障概率較低，且本工程任務主要以灌溉為主，可充分利用不引水時段對管道進行全面檢修維護，進一步減小管道故障率，進而提高其輸水可靠度。

基于以上對比分析可知，不論是從經濟角度還是從風險控制角度來看，盾構法單管方案都更適用于本工程長距離低水頭有壓重力流輸水的特點。

3 結 語

1)在長距離低水頭輸水工程中，為盡量節約水頭、減少沿程水頭損失，相比于無壓流，有壓重力流輸水是一種值得研究探討的輸水方式。

2)管道方案的確定需經過管材、管徑綜合比選。長距離有壓重力流輸水經濟管徑的確定原則是既能滿足減少水頭損失以實現重力流輸水，又要盡量縮減未利用水頭。管徑越大，流速越小，管道水損減小，但管道造價相應會增加，應通過計算合理選擇經濟管徑。

3)PCCP管、玻璃鋼管等國內應用較廣的新型管材，在管徑方面存在一定的局限性，大管徑應用工程實例亦不多；而盾構法敷設輸水管道可達到更大管徑，近年來在輸配水工程中應用日趨成熟。長距離低水頭輸水對管徑提出更高的要求，采用盾構法敷設輸水管道在此方面有其優越性；且相比于埋管法，本工程盾構法投資方面也更具優勢。

4)本文基于長距離低水頭有壓重力流輸水工程規劃及可研階段資料，進行了前期管道設計方案比選，為類似工程提供了參考。實際工程中應隨著設計階段的深入和設計資料的完善，進一步復核、確定設計方案。