長距離輸水管道規劃方案探討

楊寶中，于晶晶，申廣英，王朝軍，季貴臣 (華北水利水電大學，河南鄭州450045)

在長距離輸水管道工程規劃時，存在諸多問題，在規劃中必須充分考慮，并采取相應的工程措施進行解決。內黃縣小農水項目補源引水管道全長1 522 m，該工程管道長、管線要穿過大面積的灘區和衛河，而灘區已經成為基本農田;管道的進、出口水頭差變化較大(設計水頭差為0.3 m、最小為0.2 m、汛期最大為2 m);管道線路平緩，平均比降為4.3/10 000;水源水質較差，安陽河的水主要來自上游水庫和灌區的退水，使用的輸水渠道是土渠，水中含有一定量的泥沙和漂浮物，且缺乏實測資料。針對以上問題，輸水管道在運行時，有2個重大問題，必須采取相應的工程措施進行解決。一是管道的排氣問題，二是管道的淤積問題，同時還要考慮盡量少占用耕地和節約工程投資，否則將會造成輸水管道不能達到設計要求正常輸水，或投資過高，從而造成工程難以實施的問題。針對上述實際情況，在工程規劃時，必須認真考慮，并采取相應的措施進行解決。而在工程規劃和設計上進行處理，即在管道的進口、管道材料及管徑、管道的附屬設施等方面進行全面考慮，統籌解決，目前國內尚無成熟的經驗可以借鑒。

目前國內在這方面的研究主要是對長距離管道的附屬設施、排氣、管線優化和管材選擇等方面進行了部分研究，如王明安、張世功等通過對各種管材特點、價格分析，提出管材選擇方法及建議［1］;王拓等對山區大管徑長距離輸水管道在設計和施工中存在的主要問題進行探討，并提出相應的建議，如設計和施工中應注意的問題等［2］;邱象玉以北京市高碑店再生水利用工程為例，對排氣閥井、檢修井和排空井等主要附屬設施進行了詳細的論述，認為若排氣不暢將造成水阻增大，流量達不到設計值甚至接近于零［3］;王文芬等以輸水管道工程總投資最小為目標函數，以輸水線路的管段數劃分為階段變量，各管段線路方案和管徑為決策變量，長距離輸水管道的首末水頭為約束條件，建立了長距離輸水管道線路與管徑綜合優化的定性定量混合系統數學模型。提出了以各管段線路方案正交試驗、管段直徑動態規劃選優的綜合優化方法［4］。

這些研究都是在假設水質較好的輸水管道情況下的運行狀態下的，而對水質欠佳時長距離管道可能會存在的淤積問題及解決辦法的研究，目前尚屬空白。筆者以內黃縣小農水項目補源引水管道工程為例，對這一工況下的長距離輸水管道規劃方案進行了探討，以期為類似工程建設的規劃設計提供參考。

1 工程概況

內黃縣小農水引水補源管道自衛河東部的安陽河引水，穿越衛河灘區及衛河后進入項目區。根據內黃縣的灌區規劃，引水管道自安陽河引水，沿衛河大堤向東北走132 m，然后轉向東南穿過衛河北大堤，向東穿越衛河灘區，再拐向東南穿越衛河主河槽后進入項目區。項目區平面和剖面如圖1，2 所示。

2 工程總體規劃

針對工程中存在的管道易淤積問題，在工程規劃上，必須加以考慮并解決。因此，總體規劃上采用2項處理措施，①在引水管道的進口閘處，設置了攔污柵和沉沙池，以攔住安陽河水中的漂沲物和粗顆粒泥沙，從而減少進入輸水管道的雜物，減輕管道的淤積;②在輸水管道中，設置檢修井。其中，分明井和暗井兩種，暗井只用于檢修，不起排氣作用;暗井設在灘區，埋在地下，暗井頂部距地面0.5 m，以保證灘區耕地的耕作不受影響。明井設在穿衛河的兩岸處，高出地面，既起管道的清淤、檢修作用，又兼顧管道的排氣功能。

2.1 引水管道的規劃

2.1.1 進水閘的規劃。在管道的進口閘處，先設一沉沙池，主要用于沉積安陽河的粗顆粒泥沙。沉沙池后設置一攔污柵，以攔截水中的漂沲物。攔污柵采用網眼為1 cm的鋼絲網，既能盡量減小過網的水頭損失，又能攔擋水中的漂浮物，以保證進入管道的水不會對管道的過水造成較大的影響。

2.1.2 管材及管徑的選擇。引水管道的進、出口處的水位差較小且變幅較大，而受水區水資源相當緊缺，為保證受水區的水資源需求，應盡量多往受水區引水進行補源。因此在工程設計時，不僅要考慮設計條件下的管道引水，還要考慮汛期高水頭情況下的引水需求。

雖然引水管道在進口閘處已經設置了沉沙池和攔污柵，對進入管道的水進行了初步處理，但管道的淤積還是很有可能出現的。現在常用的管道清淤方法有絞車清淤法、高壓水射流清淤法和水沖刷清淤法這3種方法。絞車清淤法是一種利用排水管道兩端進行繩索拉結的方法進行淤泥清除，是目前應用最廣泛的一種清淤方式。高壓水射流清淤法要高壓噴射車和吸泥車共同作用才能清淤，而且要耗費大量的干凈水，在此工程中用明顯不太經濟。水沖刷清淤法一般是人下檢修井組裝裝置，然后放到一定位置的方法。這3種目前最常用的方法，對長距離管道的清淤來說，是很難操作的。對此，最有效的方法是人工(包括小型機具)清淤，但這種清淤的方法都要求管徑較大，能滿足人在里面行走及作業的要求。

在管材的選用上，考慮到經濟、已有的定型管材、施工及管道清淤和檢修的要求，應盡量選用管徑大的管道。目前國內已有的定型管道最大的管徑為1 600 mm，這種管道，即能滿足該工程的輸水需要，也能滿足管道淤積后的清淤時作業要求。

2.1.3 輸水流量的計算。輸水管道的水位差分設計、最小和汛期最大時的3種情況，計算結果見表1。

表1 不同水頭差時的引水流量

輸水管道由鋼筋混凝土管和PE管兩種管材組成。由于輸水管道要穿越衛河大堤、衛河灘區和主河槽。為節省工程投資，除穿越主河槽段采用PE管道外，其余均采用鋼筋混凝土管道。由于管道鋪設基本都在耕地下面，為保證管道沿線不影響農田耕作和交通要求，考慮凍土層厚度和耕作需求，管道頂部埋深平均距地面1 m，以保證衛河灘區的種植和交通等不受影響。

2.1.4 管道比降及鋪設的要求。在確定管道的比降時，主要考慮了2個問題:一是地形;二是施工要求。在規劃時，管道的比降按地形的比降確定，而在鋪管道時，為避免管道起伏造成管道內的積氣，在管道施工技術上也提出了嚴格要求，同時考慮現有的施工技術條件。即單節管道(長6 m)兩頭的鋪設誤差不得超過設計高程的正負1 cm;每累積10節管道的高程誤差為不超過正負2 cm;每百米長管道的累計誤差為不超過設計高差的正負3 cm。

2.2 檢修井的規劃 檢修井主要是用于檢修管道內的淤積物，同時兼顧管道內的排氣作用。在管道需要清淤時，方便人和機械的進入。考慮到人在管道內的作業距離不能過長，同時還要考慮工程投資，所以檢修井不能太多或太少。經與施工隊的技術人員交流，人在管道內的作業長度不能超過60 m。所以檢修井的布設間距采用100 m，這樣可雙向作業，清淤長度為50 m。由于在灘區為保證耕作不受影響，全部設置為暗井，所以暗井只用與清淤和檢修，不用于排氣。只將在衛河的兩岸上的檢修井設置為明井，同時兼顧排氣之用。根據工程情況，規劃的檢修井數量如表2。

表2 內黃縣補源引水管道工程附屬設施設計參數

3 運行管理

根據安陽河的水質和管道情況，只要管道過水，管道中就可能會產生淤積。只要管道有淤積，就會影響管道的過水流量。要保證管道過流量不減小，就應該經常進行清淤。但清淤管道是相當費工費時的事，所以應盡量減少管道的清淤次數。具體操作時，應視管道的淤積情況來決定是否進行清淤。如果管道的淤積造成過流量與理論計算的流量(或管道的初期實際流量)減少超過15%時，就應進行清淤。若過流量減少不超過15%時，則無需進行清淤。

4 結語

對于水質不佳時的長距離輸水管道的規劃，特別是缺乏實測水質資料的情況下，目前尚無成熟的經驗可以借鑒，而管道的淤積也難以從理論上進行分析和模擬，因此在規劃方案上就會存在一些難以確定和解決的問題。對該工程來說，管道在運行過程中，管道的淤積程度如何，是難以量化確定的。因此，在工程運行過程中，要認真地經常進行觀測，一是對水質要進行定期化驗和分析;二是對管道的淤積情況進行觀測，并及時采取相應的措施，以保證工程的正常運行。目前該工程的規劃方案，在專家審查時，已得到了充分的肯定。

［1］王明安，張世功，段偉華，等.長距離輸水管道設計中幾個問題的探討［J］.黑龍江水利科技，2006(2):92 －93.

［2］王拓，朱家才，肖鏵珅.山區長距離輸水管道設計和施工方案探討［J］.中國水利，2012(4):24－26.

［3］邱象玉，王勇，蘇宇.長距離輸水工程管線附屬設施設計探討［J］.人民長江，2013(11):9－12.

［4］王文芬，程吉林，龔懿.長距離輸水管道線路與管徑綜合優化方法研究［J］.灌溉排水學報，2014(1):22 －25.