遠距離大口徑壓力輸水管線工程設計要點淺析

宣煒

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海 200092

1 遠距離大口徑壓力輸水工程的特點

遠距離大口徑壓力輸水工程是城市供水系統中的一個重要組成部分,由于是壓力輸水，管道敷設受地形條件限制較小，管道可以穿越河流、鐵路、公路等障礙物將水輸送至目的地，工程應用較廣。其主要特點是管線長、規模大、高揚程、多級提升、沿線地形復雜、投資費用大、水錘威脅較為嚴重、安全穩定性要求高。其建設和運營需要投入大量的資金，施工周期長，因此對其設計要點進行必要的分析和探討，無論從社會效益，還是從經濟效益上講都是很有必要的。

2 管道根數的確定

輸水管線根數的選擇，應視管道輸水能力；近遠期的供水量規劃；線路長度；施工條件及備用水源情況等因素，經綜合經濟比較確定。例如我院設計的青草沙金海、南匯支線工程中，由于輸水規模大，沿線受水廠眾多，且金海水廠沒有就地應急水源，若采用單管輸水，一旦發生管道事故時，對水廠的正常供水將產生重大的影響。因此采用雙管供水，并設置必要的聯絡管以保證事故時70%供水量的要求。

3 管道走向的確定

管道走向的選擇，是確定設計方案的關鍵所在，決定了整個設計的合理性、工程的造價及施工的難易程度。由于線路長，沿線牽涉面廣，在工程前期應進行大量的現場踏勘及相關用地協調工作，落實管位，在沿線地下管線復雜的城市區域可安排進行必要的地下管線物探，使得走向方案具備可實施性，以免在工程實施過程中頻繁的改動管位，不利于對工期及工程造價的控制。通過相關輸水工程的設計和施工配合工作，總結出以下幾點選線原則。

(1)符合城市總體規劃及管道規劃布局要求,布置管線時盡量縮短管線,但不一定最短就最好,要綜合考慮。

(2)應盡可能減小與各種障礙物及其他工程的相互影響，如遇河流、鐵路、公路以及地質條件不利的地段則需進行防護。

(3)盡量避免拆遷建筑物和占用農田，以降低工程投資。

(4)布線時水力條件好，管理方便，電耗低。

(5)管線應盡量沿現狀或規劃道路埋設，以便于將來維護管理(搶修、放水)。

(6)為防止土壤對金屬管道的腐蝕,應避免通過土壤腐蝕性大,導電率高的地段。

(7)在方案設計階段應將施工因素充分考慮到,保證設計的合理性。

從上述原則可以看出，選線時應本著技術上安全可靠、節約能耗、降低投資、便于施工和運營維護的原則出發,并根據技術條件，綜合考慮，多方案比較，以求達到合理。

4 管材的比選

在遠距離壓力輸水工程中管道占投資的比重較大，因此管材的比選對節省投資、方便施工、安全運行意義很大。目前我國生產使用的適用于大口徑承壓輸水的管材主要有鋼管（SP）、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼夾砂管（RPMP）和球墨鑄鐵管（DIP）。因此，將圍繞上述四種管材就以下幾個方面做技術經濟比選。

4.1 材料物理性能

鋼管強度高，具有良好的韌性，根據使用要求設計不同的管壁厚度，耐壓能力可大于2MPa，抗拉強度大于420MPa，管道內外承壓能力高；球墨鑄鐵管耐壓能力一般為2MPa，承壓能力較鋼管稍差，抗拉強度大于420MPa，與鋼管相同。預應力鋼筒混凝土管耐壓能力為3MPa，可承受較高的內外壓力；玻璃鋼夾砂管為薄壁彈性管，承受外壓的能力較弱，其環剛度為主要控制指標。一般埋地管環剛度采用5000～7500N/m，特殊地段（穿越公路等）需采用10000N/m。

4.2 水力條件

大口徑輸水管由于其流量大、距離長，輸水能耗較大,在保證輸水的安全可靠的前提下，應優先選擇水力條件好的管材,以節約運行成本。管壁粗糙度對減小水流阻力，降低水頭損失有著重要作用。鋼管和球墨鑄鐵管的管壁粗糙系數n值為0.013,預應力鋼筒混凝土管的管壁粗糙系數n值為0.011,玻璃鋼夾砂管的管壁粗糙系數n值為0.009?？梢姴Ａт搳A砂管水力條件最好，預應力鋼筒混凝土管其次，其他2種管材相當。

4.3 耐腐蝕性能

鋼管的耐腐蝕能力較差，內外壁需做除銹和防腐處理，除銹和防腐層施工質量的好壞，對使用年限有較大影響，埋管土壤腐蝕性高時需配合進行電化學保護，以提高防腐能力；球墨鑄鐵管采用水泥砂漿襯里，管道外壁噴鋅并涂煤瀝青，其成品具有良好的防腐性能；預應力鋼筒混凝土管內部嵌置一層1.5mm厚鋼筒，在管芯上纏繞環向預應力鋼絲，并在其外部噴水泥砂漿保護層，因此不需作內外壁防腐處理。玻璃鋼夾砂管由于其管材本身具有優良的耐腐蝕性，也不需作任何防腐處理。

4.4 施工適應性

鋼管施工時通常采用焊接剛性接口，可用于開槽埋管施工和頂管施工，施工時按規范焊接，可確保管道嚴密，但接口焊接時間較長，其適應地形能力最強，一般不需做管道基礎處理，對溝槽回填要求較低，管配件種類多。球墨鑄鐵管施工時常用接口形式有滑入式（T型）柔性接口、機械式（K型）柔性接口、法蘭型接口等，目前輸水管中常用滑入式（T型）柔性接口，具有結構簡單，安裝方便快速，密封性較好等特點，球墨管配件種類較多，適用于開槽埋管施工。預應力鋼筒混凝土管采用承插柔性接口，其中大口徑PCCP管采用雙O型橡膠圈止水，密封性能高，每道接口可單獨試壓，其重量為幾種管材之最，施工運輸成本較高，安裝時需要大型起吊設備，彎頭等管配件需用鋼制管件替代，適用于開槽埋管施工。玻璃鋼夾砂管為柔性接口，施工時對基礎處理及回填要求較高，地形適應能力較差，其管配件較少。以上幾種管材除鋼管外，均需在轉彎處設置支墩等止推設施，以防接口脫出。

4.5 工程造價

根據相應材料價格及工程費用，鋼管、預應力鋼筒混凝土管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管這四種管材的單位長度工程造價見圖1（比較時按開槽埋管施工考慮）。

圖1 管材單位長度造價比較

4.6 綜合比選

管材的選擇一般要根據工程的規模，管道的工作壓力，各種管材的特點，口徑適應范圍、造價、施工條件、管道制造供貨等方面綜合考慮，合理地選擇管材。每項工程都具有自身的特殊性,因此管材選用須有較強的針對性，同一工程中根據沿線不同的情況可選用不同的管材。如我院設計的蕭山東部區域供水工程，設計規模為70萬噸/日，采用一根DN2800管道，通過對各種管材進行技術經濟比較，結合當地管材生產供應情況后，決定在地質條件較好的直線段上采用PCCP管敷設，在地質條件差的線路上、管道較大轉彎處或者穿越障礙物時，使用鋼管。

5 管道穿越障礙物的措施

由于遠距離管道鋪設中必然會遇到各種障礙物，如河流、鐵路、公路、立交、大型市政設施等，因此必須輔之以相應工程穿過或跨越。

（1）倒虹及管橋

管道穿越河道時，一般可采用倒虹或者管橋。首先應考慮利用已有跨越構筑物設置管橋的可能，如已建的橋梁等，必須新建管線跨越設施時，應根據河道斷面特點，水文地質情況和施工條件等因素而定。

一般說來，對于水位較淺，且沖刷不嚴重的河流，為避免建成后對河道的通航、景觀等造成影響，宜采用倒虹管；如考慮便于運行維護，在滿足通航、景觀要求的前提下，也可采用管橋方案。

（2）頂管

當遇到難以開挖施工或者重要的障礙物時，常采用頂管，如河道寬且通航要求高、重要道路、軌道交通等。根據環境條件限制的情況，施工時可采用直線頂管和曲線頂管2種方案。

（3）管道外加保護措施

當管道穿越鐵路、重要公路、立交、大型電力隧道、高壓燃氣管道等重要設施時，為避免影響正常交通及確保相關設施的安全運行，根據相關法規、行業規范及規定的要求，可采用管道外包混凝土或在管道外設置箱涵、套管的方式穿越。

6 經濟管徑的確定

經濟管徑的確定,對輸水工程的合理性和工程總造價的控制至關重要。在確定了設計方案和管材后,可確定經濟管徑。經濟管徑分析計算的方法種類很多，根據我院的工程實踐，目前常采用最低成本法，即總投資現值比較法，計算確定經濟管徑,具體原則如下：

（1）總投資現值＝年經營成本換算為現值+投資現值，即Pw＝A（P/A，i，n）+P

式中：P－投資現值，即管道鋪設總費用（萬元）；

A－年經營成本，以運行電費計（萬元/年）。

（2）收益率取8%，計算年限n取20年。

（3）管道鋪設總費用，包括管材費、制作費、運輸費、內外壁防腐費（指鋼管）、施工費和綠化賠償費等。

（4）水量按管段的折扣水量計算。

（5）運行電耗計算，采用最高日、平均日、最低日水量分段計算，以盡量反映實際運行電耗。

（6）水量的計算原則考慮供水水量的逐步增加，建成后前10年按總規模的80%，后10年按總規模的100%考慮。

7 管道水錘防護措施

遠距離壓力輸水工程由于管線長、壓力高、流量大，管中流速一般較大，容易發生水錘事故。水錘發生的誘因主要是水泵機組突然失電停車、閥門誤動作。其主要特點是管道內壓力急劇變化、易發生爆管等事故。工程設計時，可根據水力計算和水錘模擬的結果采取相應保護措施，主要分為正壓防護和負壓防護2種，常用以下幾種方式：

（1）雙向調壓塔

雙向調壓塔既可防止管路的負壓破壞，也能防止管路的正壓破壞。其防護性能最好，被動調節，無需人工干預，造價高、經濟性較差，地形合適可以選用。但對于高揚程輸水系統而言，由于運行水壓較高，如果采用調壓塔防護塔的高度往往需要很高，設置調壓塔可能是不經濟的，易受地形影響。

（2）單向調壓塔

主要用于防護負壓破壞，對于正水錘沒有防護作用。正常運行時，止回閥關閉，單向塔與主管道隔離，因此與普通雙向調壓塔相比，單向塔的高度可以大大降低。當管道中的壓力低于單向塔正常水位時，止回閥迅速打開，通過短管向主管道補水，抑制管道中出現負壓。設置于輸水管道駝峰等容易產生負壓的區域。長距離輸水工程如果采用單向塔防護，通常需要多塔聯用。

（3）設置空氣閥

空氣閥通過正壓工況下的快速排氣和負壓工況下的快速進氣，可用于正壓防護和負壓防護。管線正常運行時也可排出管中有害氣囊(微量排氣)。空氣閥選型時，宜取輸水管道直徑的1/8～1/5，或經計算確定，有效排氣直徑不得小于其公稱通徑的70%?？諝忾y的布置主要根據管路縱斷面高程情況或經水錘防護計算確定，在管道高點、長上、下坡管段處，長水平管段處均需布置，管道最大允許負壓對空氣閥的布置與數量至關重要。

（4）超壓泄壓閥

根據管路系統的工作壓力自動啟閉，當管道內壓力超過泄壓閥設定壓力時，自動開啟泄壓，保證設備和管道內介質壓力在設定壓力之下。直徑可取輸水管道直徑的1/5～1/4。

（5）優化閥門關閉規律

采用兩段折線關閉規律代替一段直線關閉規律，兩段折線關閉規律一般采用“先快后慢”，可根據要求確定各階段關閉時間。

設計時通過多措施聯合水錘防護，可為輸水管線的安全運行提供有效的保障。

8 結語

遠距離輸水管線工程在供水系統中占有相當重要的地位，設計不合理容易引起工程事故，造成重大損失。因此如何制定技術可行、經濟合理、安全可靠的設計方案，是擺在工程設計人員面前的重要課題。本文通過對該類工程設計要點的介紹，希望能對相似工程的設計提供一些幫助。

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