長距離輸水管道設(shè)計中幾個問題的探討

李治宏（米易縣政府投資評審中心，四川攀枝花617200）

長距離輸水管道設(shè)計中幾個問題的探討

李治宏（米易縣政府投資評審中心，四川攀枝花617200）

目前，在城市和農(nóng)村的給水系統(tǒng)中，長距離輸水管到系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用，長度可達十幾公里，甚至是幾十公里。在管道鋪設(shè)的過程中，可能會經(jīng)過公路、丘陵、河流、鐵路等障礙物，因此輸水管道的設(shè)計是否合理，對工程的投資、運行、施工能都會產(chǎn)生很大的影響，因此，輸水管道的設(shè)計非常重要。下面我們就來探討一下長距離輸水管道設(shè)計中的幾個問題，希望能夠給長距離輸水管到的設(shè)計提供實踐價值。

長距離；輸水管道；管材；管線；設(shè)計優(yōu)化

1 長距離輸水管道管線的選擇

在城市用水和農(nóng)田灌溉的輸水系統(tǒng)中，輸水管道承擔著輸送水的任務(wù)，由于管線長，需要的投資大，這就需要在選擇管線時，實地勘測要細，主要有以下幾點：①總體來說，在選擇管線時，應(yīng)盡量選擇線路短、造價經(jīng)濟、起伏小、工程量小的線路；②在管線的選擇時，難免會因為管線而對有些建筑進行拆遷，因此，應(yīng)盡量減少拆遷；③對于管線的選擇，不僅要考慮到眼前利益，還應(yīng)考慮到長遠利益；④對于管線的走向，其位置應(yīng)盡量與城市的規(guī)劃要求相一致，盡可能按照現(xiàn)有的道路或規(guī)劃道路敷設(shè)；⑤充分利用水位高差，如果條件允許，可以考慮重力流輸水；⑥線路經(jīng)歷的地形越復(fù)雜，就會增加施工的難度和成本，因此，應(yīng)盡量避免穿越山脊、河谷、沼澤泄洪、鐵路等地區(qū)。

根據(jù)以上這些原則，在在輸水管道的選取上，應(yīng)先在地形圖上布線，然后再進行實地踏勘。嚴格遵循選線的原則，在設(shè)計的過程中，可以設(shè)計兩條線路，也可以將這兩條線路細分為若干個線路，但是都應(yīng)考慮穿越村莊、引橋、機井等地區(qū)，在選擇路線后，還應(yīng)對其進行反復(fù)的測量、比較、踏勘，然后確定出最經(jīng)濟、最簡便的方案。

2 長距離輸水管道管材的選擇

隨著我國城市化的進程不斷加快，城市中的生活用水和工業(yè)用水需求量都有很大的提高，這就給城市的用水帶來了很大的壓力，長距離輸水工程能夠有效的解決這一問題。目前，我國在輸水管道的新材料和新技術(shù)上有了很大的進步。在整個輸水工程中，管道的投資占有很大的比重。

因此，在管材的選擇上，應(yīng)進行綜合分析，其內(nèi)容包括許多方面，例如管徑、重要性、工程規(guī)模。工作壓力、管道運輸、資金等，使工程的性價比能達到最優(yōu)。常用的輸水管道有許多，主要有：鋼管、超高分子量聚乙烯管（塑料管）、預(yù)應(yīng)力混凝土管、玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，其中常用的是鋼管和塑料管。

3 長距離輸水管道在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化

對于長距離輸水管道，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅關(guān)系設(shè)計成果的成敗，還直接影響工程的投資，在保證輸水管道的技術(shù)上可靠的同時，如何減少工程的投資，使之具有合理的經(jīng)濟性，就是本文探討的重點。下面就是我于2010年設(shè)計的米易縣白馬集鎮(zhèn)供水工程分析在管道設(shè)計中的優(yōu)化設(shè)計。

該工程經(jīng)實地勘測，線路選定，需跨溝谷，并翻越一山脊，其供水線路縱斷面如下圖所示，經(jīng)供水量計算，日供水量為2000m3（Q=0.023m3/s，設(shè)計考慮日變化系數(shù)后取值為Q= 0.028m3/s），取水點在黃草坪，H1高程：1940m，H2為低谷點，高程：1720m，H3為山脊，高程：1820m，H5為水廠出水點，高程：1260m，H4為計算選擇點，高程：1610m，其中L1段（H1～ H3）長12500m，L2段（H2～H5）長13600m，L2-1段長6620m，L2-2段長6980m，其管線總長26.1km，總落差680m。

圖1

下面將設(shè)計情況進行探討：

3.1 管材的設(shè)計選擇

對于該輸水工程，管線長，高差大，H1～H2高差220m，H1～H3高差120m，H3～H4高差560m，且應(yīng)特別注意，H1～H3之間形成倒虹管，如果采用塑料管（PE管），則不能滿足承壓要求，采取減壓池后，經(jīng)管道水力計算，又難以滿足該段過水要求（后面將具體計算說明），經(jīng)技術(shù)比較，設(shè)計決定全線采用鋼管。

因此，在管道選材上，除經(jīng)濟要求外，還受限于水力技術(shù)要求，對于具體的管道工程，采用什么材質(zhì)的管道，必須進行技術(shù)和經(jīng)濟的分析比較。

3.2 管徑計算選擇

對于該工程，其經(jīng)濟直徑算計值為D=0.138m，初選鋼管規(guī)格產(chǎn)品為D=0.15m。

水力校核：按壓力管道水力學(xué)達西公式（或經(jīng)驗公式）進行，L1段（H1～H3）形成倒虹管，高差120m，管長12500m，經(jīng)水力學(xué)實步擬定計算，管徑D=0.2m時，水力總損失約106m，略小于120m，方可滿足過水要求。L2段落差560m，管長13600m，經(jīng)水力學(xué)實步擬定計算，管徑D=0.15m時，水力總損失約509m，略小于560m，可滿足過水要求。

因此，在管徑選擇時，應(yīng)根據(jù)具體的管線布置和通過地形情況分段計算，經(jīng)濟直徑只能作初步擬定參考，必須進行水力校核。

3.3 管壁厚度結(jié)構(gòu)計算

（1）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算：鋼壁的最小厚度應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定要求δ≥（1/130）Do。

（2）剛度要求δ≥Do/400+4，且不小于6mm。

（3）承壓計算：管壁承水壓力厚度按箍拉力公式：δ≥γHD/ 2φ［σ］進行實步擬定。

式中：φ：焊縫系數(shù)，取0.9；H：水頭，按提高30%計算；D：管徑；［σ］：鋼材允許應(yīng)力，按規(guī)范降低20%取。鋼材采用鎮(zhèn)靜鋼，鋼種采用A3鋼，管壁厚度的設(shè)計取值根據(jù)規(guī)范，考慮銹蝕、磨蝕及鋼管厚度誤差，管壁厚度設(shè)計取值應(yīng)比計算值增加2mm，并取整。其實步擬定計算，成果如表1。

表1

從表1中可以看出，如果該管道在不開斷情況下，末端的靜水壓（末端設(shè)閘閥）很高，其管壁厚大，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和鋼長度要求則小，這就會增加成本。考慮本工程供水量小，管線長，設(shè)計減壓池方量不大，投資小，因此設(shè)計采用減壓池，開斷管路，分段接續(xù)供水，減小管壁厚度，降低鋼材用量，大量節(jié)省投資，達到技術(shù)經(jīng)濟的合理性。其開斷點為H3點和H4點，在這兩處分別設(shè)置減壓池，則本工程分為三段接續(xù)供水，L1段采用φ200，σ=6mm鋼管，L2-1段和L2-2均采用φ150，σ=6mm鋼管，經(jīng)水力計算和結(jié)構(gòu)計算，均滿足要求。

特別說明的是在低水壓，大流量輸水時，情況可能相反，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鋼度要求起對管壁厚度的控制作用，本人在設(shè)計其它工程時，就出現(xiàn)大流量，低水頭（管徑達1.4m，水頭17m，）這時結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的管壁厚度是10.8mm，鋼度要求是7.5mm，承壓加銹蝕、磨蝕要求只須4mm，這時就如果按最大的10.8（取12mm壁厚）就明顯不經(jīng)濟了。為此，根據(jù)相關(guān)結(jié)構(gòu)規(guī)范要求，考慮設(shè)計加外壁加勁環(huán)，增加附近管壁的鋼度，從而提高臨界外壓力。加勁環(huán)按殼體理論公式：KP=進行cr實步擬定計算，最后設(shè)計取值為管壁厚度8mm，間隔2.5m設(shè)一加勁環(huán)方案。在此本文不再具體分析。

因此，在管壁結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)控制的要求，多方案進行綜合考慮，如何減小管壁厚度，從而滿足結(jié)構(gòu)要求，達到經(jīng)濟的合理性，這是一個非常重要的環(huán)節(jié)。

3.4 放空閥的設(shè)置

對于有起伏的管道，放空閥在設(shè)計中，如果水質(zhì)不太好，出現(xiàn)泥砂，就容易在低谷段形成淤積，造成管道過水能力下降，嚴重時無法通水，因此，在低伏段的低點設(shè)置放空閥對于今后的運行檢修非常重要。

4 長距離輸水管道氣閥設(shè)置和閘閥后鎮(zhèn)墩的設(shè)置

4.1 氣閥的設(shè)置

在設(shè)置氣閥時，應(yīng)根據(jù)管線地形條件和管道的壓力來計算，如果管道是為泵站加壓輸水，就應(yīng)考慮三種情況：①計算輸水管路是否會出現(xiàn)負壓，如果考慮到這種情況，采取適當?shù)陌踩雷o措施，就能夠避免管道出現(xiàn)高負壓時拉斷水柱的情況，從而導(dǎo)致水柱彌合時出現(xiàn)高正壓水錘；②為了確定管線各段管的工作壓力，這就需要在事故停泵水錘時，計算管路輸水系統(tǒng)中出現(xiàn)的最大壓力升高情況；③為了保障水泵機組的安全，在事故停泵時，就應(yīng)計算水泵機組的運轉(zhuǎn)情況。如果管道為重力流輸水，在計算管道的壓力時，就應(yīng)考慮閘閥的開啟、關(guān)閉和正常工作情況時，產(chǎn)生的水錘壓力和靜、動水壓力。

4.2 閘閥后鎮(zhèn)墩的設(shè)置

在輸水管線中，如果采用玻璃鋼管或預(yù)應(yīng)力混凝土管，都應(yīng)在管與管之間采用柔性接口。如果不重視閥、管的連接處的閥后鎮(zhèn)墩設(shè)置，就會導(dǎo)致閥門關(guān)閉時產(chǎn)生水錘壓力，從而導(dǎo)致閥門產(chǎn)生位移，造成接口松動而發(fā)生漏水事故。例如，在某段打壓試驗中，由于沒有重視閥、管連接處的閥后鎮(zhèn)墩設(shè)置，而致使輸水管線都為柔性接口，但是在閥后卻沒有設(shè)置鎮(zhèn)墩，最終造成漏水事故。因此，如果長距離輸水管道為重力流輸水時，就應(yīng)將鎮(zhèn)墩設(shè)置在閘閥的下游；如果是泵站加壓輸水，就應(yīng)將鎮(zhèn)墩設(shè)置在閘閥的上游，與此同時，應(yīng)采用鋼性連接閘閥和鎮(zhèn)墩之間的短管。

5 長距離輸水管道的防護技術(shù)和安全措施

5.1 排氣閥的設(shè)置

如果管道是初次輸水，管道內(nèi)難免會留有空氣，管道的運行實際上是兩相流。在長距離輸水管道的設(shè)計過程中，應(yīng)重視排氣閥的設(shè)置，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況和沿線地形設(shè)置排氣閥的數(shù)量，在管道的布置時，應(yīng)采用合理的縱向布置。一般情況下，應(yīng)每隔一定的距離就應(yīng)布置為一個高點，為了保障管道的輸水安全，在駝峰處布設(shè)排氣閥可以有效的防止管道的振動和氣蝕。

5.2 水錘的防護

在壓力管道系統(tǒng)的防護工作中，應(yīng)對水錘引起足夠的重視，這是由于長距離輸水管道中，經(jīng)常會出現(xiàn)流速變化。如果管道中出現(xiàn)流速變化，就會造成管道中的水壓力升高或降低，一旦壓力低于水的氣化壓力，水柱就會被拉斷，這就會導(dǎo)致出現(xiàn)斷流空腔的現(xiàn)象，如果在空腔出出現(xiàn)水流彌合，就會造成很大的沖擊，使管道內(nèi)是水壓升高，這就會形成水錘。水錘具有有三種類型：啟動水錘、停泵水錘和關(guān)閉水錘。一般情況下，啟動水錘并不是很大。如果是在真空情況下，沒有排出管中的空氣，在壓縮時就會使水位壓力的變化加劇。在正常操作時，關(guān)閉水錘并不會產(chǎn)生很大的水錘壓力，但是，一旦出現(xiàn)突然停電或者事故停泵的情況，就會造成很大的水錘。為了防止水錘的危害，應(yīng)采取措施對其進行防護，可以在水泵出口設(shè)置水錘安全閥、消除器、超壓泄壓閥等多種形式。

6 結(jié)語

通過以上的分析，我們可以看出，在長距離輸水管的設(shè)計過程中，對管道的投資非常大，需注意的問題有許多。根據(jù)工程規(guī)模、地形地質(zhì)、重要性等進行綜合分析，選擇管材和工作壓力，從而選擇最經(jīng)濟、最合理的設(shè)計。但是在技術(shù)和安全措施上，還應(yīng)對其進行更為深入的研究。

［1］王棟.大高差長距離重力輸水管道水錘防護技術(shù)研究［D］.長安大學(xué)，2013.

［2］馬蘭蘭.長距離多支管重力流輸水系統(tǒng)水錘防護研究［D］.長安大學(xué)，2013.

［3］羅春林，楊玉芳，王愛軍，楊萍萍.有壓重力流長距離輸水管道設(shè)計體會［J］.給水排水，2012（08）.

TV672.2

A

2095-2066（2016）30-0273-02

2016-9-1

李治宏（1974-），男，工程師，本科，主要從事水利水電工程設(shè)計與工程造價評審工作。