基于長距離管道重力流輸水工程設計研究

宋 巖

(海城市河務管理處，遼寧 海城 114200)

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基于長距離管道重力流輸水工程設計研究

宋 巖

(海城市河務管理處，遼寧 海城 114200)

海城某水庫至某鎮管道重力流輸水工程設計，全程采用重力流輸水一管到底方式，輸水站起于水庫大壩輸水洞處，末站位后某鎮泵站處，工程管道采用螺旋縫埋弧焊鋼管，外層采用環氧粉末聚乙烯復合結構(3層PE)外防腐層，鋼管采用國標標準。文章介紹了對于水庫長距離輸水的應用，同時結合長距離管道工程輸水實例對輸水管道設計中的幾個相關設計要點進行了分析。

長距離管道；重力流輸水；高差；設計

1 工程概況

海城某水庫至某鎮管道重力流輸水工程設計，線路總長20.31km，全程采用重力流輸水一管到底方式，輸水站起于水庫大壩輸水洞處，末站位后某鎮泵站處，工程設計輸水量為2×104m3/d，管道壓力為1 MPa，采用D720×7mm螺旋縫埋弧焊鋼管，外層采用環氧粉末聚乙烯復合結構(3層PE)外防腐層，鋼管采用國標標準。

某水庫興利庫容960 萬 m3，庫區溢洪道起點高程96.82m，輸水洞進口高程80m，管道起始點高程80.7m，管線延程最低點34.4m，中途沿線高點64.8m，末端高程44.6m。管道穿越河流4處，柏油路面10處，磚墻2處，光纜1處。

2 工程方案選擇

2.1 引水方式選擇

該工程地形為管道起始點高程80.7m，管線延程最低點34.4m，中途沿線高點64.8m，末端高程44.6m，該地形采用明渠引流無法實現，固工程采用管道輸水的方式。

2.2 線路選擇

1)管道線路走向以順直、平緩為原則，節省線路投資。

2)選線設計中始終將管道安全放在首位，盡量避開地質災害嚴重地段及活動性斷裂帶地段，避開地面沉陷區等。

3)管道避開城市水源地、工廠、車站、碼頭、及城市、鄉鎮人口密集場所。

4)管道路由必須和當地的城市、鄉鎮規劃相結合，與現有交通設施、通信、電力設施保持適當距離，并考慮已有的發展規劃。盡量做到管道建設和沿線各鎮的發展相適應，保持和諧[1]。

5)選線充分考慮管道施工的可行性，及今后的運營維護方便，盡量靠近現有的道路。

6)河流穿跨越位置選擇應服從線路總體走向，線路局部走向根據施工穿越條件進行必要調整后確定。

按選線原則，經現場探勘測量，最終選定路線，線路總長20.31km。

3 工程設計方案

3.1 管道設計

材料：螺旋縫埋弧焊鋼管3層PE防腐 D720×7mm；

長度：管線長度20.31km，采用螺旋縫埋弧焊鋼管3層PE防腐19.3km、聚氨酯硬脂泡沫外附聚乙烯板管1.022 km；單管長度12m。

設計壓力：1 MPa。

3.2 管道損失計算

給水管道設計計算依據《室外給水設計規范》和《給排水設計手冊》計算如下：

1)管(渠)道總水頭損失，可按下列公式計算：

hz=hy+hj

(1)

式中：hz為管(渠)道總水頭損失，m；hy為管(渠)道沿程水頭損失，m；hj為管(渠)道局部水頭損失，m。

2)金屬管道水力坡降計算：

(2)

式中：i為管道單位長度的水頭損失(水力坡降)；C為流速系數；R為水力半徑，m。

(3)

3)管道的局部水頭損失宜按下式計算:

(4)

式中：ζ為管(渠)道局部水頭損失系數。

3.3 典型最不利地段計算

本次輸水工程最不利地段在某果園，為輸水尾段的最高點，同時考慮水利最不利水位及常水位進行分析計算。

1)水庫輸水樁號起點0+000m-果園管道樁號16+817m處，管線呈凹行鋪設。起點輸水房底板高程80.7m，庫區溢洪道起點水位高程96.82m，輸水洞進口高程80m，果園管線處高程64.8m。

A水庫最高水位水力計算：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水頭損失：hd=i×L=11.0562m；

局部水頭損失：hj=hd×m=11.0562×0.15=1.6584m；

總水頭損失：H=hd+hj=12.7146m；

其中，dj為計算內徑。

果園16+817m處富余水頭：96.82-64.8-12.7146=19.31m。

B水庫最不利計算(輸水洞頂點高程)：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水頭損失：hd=i×L=11.0562m；

局部水頭損失：hj=hd×m=11.0562×0.15=1.6584m；

總水頭損失：H=hd+hj=12.7146m；

其中，dj為計算內徑。

16+817m處富余水頭：80-64.8-12.7146=2.49m；

2)果園管道16+817m-泵房20+310m，果園16+817m處高程64.8m，末端泵房20+310m處高程44.6m。

A水庫最高輸水位計算：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水頭損失：hd=i×L=2.2964m；

局部水頭損失：hj=hd×m=0.3445m；

總水頭損失：H=hd+hj=2.6409m；

泵房處富余水頭：19.31+64.8-44.6-2.6409=36.86m(不計虹吸作用)。

B水庫最不利水位計算(輸水洞頂點高程)：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水頭損失：hd=i×L=2.2964m；

局部水頭損失：hj=hd×m=0.3445m；

總水頭損失：H=hd+hj=2.6409m；

泵房處富余水頭：2.49+64.8-44.6-2.6409=20.04m(不計虹吸作用)。

由以上計算可以看出管道為重力流管道，自然壓差滿足管道流量要求。

3.4 管道埋深設計

管道埋設深度一般應在冰凍下，本地區最大凍層1.2m。故選擇管道埋深為1.2 m(以管頂計算)。

3.5 管道穿越交叉建筑物設計

1)河流穿越設計。管道穿過河道時，可采用河底穿越方式，利用枯水期實行大開挖形式鋪設，采用圍堰的方法開挖管溝，當開挖地段為砂石、砂卵石、砂土、黏土時，可采用明溝排水等方法；若為淤泥、流砂、粉砂和細砂，可采用井點降水等方法[2]。嚴格遵循《防洪標準》的有關要求進行溝埋敷設。小型河流、溝渠穿越管道管頂埋深距河床設計沖刷線≥0.5m，無沖刷河流管道管頂埋深≥2m；若河床為基巖時，小型河流穿越管道管頂埋深距基巖面≥1.5m。本次管道穿越河流4處，五道河歷史最大沖刷深≤3m，管道埋深選定>5m。

2)道路穿越設計。本次穿越柏油公路10處，采用開挖法穿越公路，設置路障、柵欄、警示標志，并設專人指揮交通維護安全。穿越處管道加套管，套管為內徑0.8m鋼筋混凝土管，承受外壓60t。

3)光纜穿越設計。光纜穿越處應與所屬部門制定詳細的穿越方案。管道穿越線纜時，其凈距≥0.5m，并應固定可靠。

3.6 管道附屬設施設計

3.6.1 管道閥門

1)排氣閥：輸水管(渠)道隆起點上應設通氣設施，設1處通氣設施，自動排氣閥(DN25)，共計4處。自動排氣閥設置在排氣磚砌圓形井(收口式) 內(內徑 1.4m 井深 2.5m)。

2)排泥丁字管：根據工程需設置檢修水閥井和排泥丁管(D250mm)，排泥管在圓形排泥濕井內(內徑1m 井深3.5m)。

3.6.2 管道流量控制閥門、流量儀器設置

管道輸水口設置控制閥門、電子水表，終點設置控制閥門。

3.6.3 管道標志帶

考慮本管道為重要的輸水管道，為防止第三方無意挖掘破壞，設計在管頂上方敷設“管道標志帶”，每處水平轉角(線路控制樁)設轉角樁標志帶1個；從首站開始，地下構筑物交叉處，穿越河流、公路的兩側，均設標志帶。

3.6.4 管道保溫設

輸水起始點0+000-1+022輸水渠道閥門處，管道露天鋪設需加以防凍措施，本次1022m管道防凍措施采用聚氨酯硬脂泡沫外附聚乙烯板方式。

3.6.5 鎮墩

管道轉彎處以及穿越河道段應進行穩定設計，本次管線轉折變化處，穿越河道處，均設置鎮墩穩管。

3.6.6 附屬設施統計

標志樁：標志樁內含里程標志，起方便維修、警示作用，分別設置點號為G1、G7、G8、G9、G10、G11、G17、G18、G25、G26、G27、G31、G39、G43、G53、G56、G57、G59、G67共計19個。

自動排氣閥設置：3處排氣閥分別設置在G25、G40、G54處。

圓型排泥濕井：3處排泥濕井分別設置在G20-G22 間低洼處、G30-G31間低洼處，G37管線處。

鎮墩：14處鎮墩分別設置在G7、G9、G11、G17、G18、G27、G28、G29、G31、G36、G38、G53、G57、G67處。

4 輸水管道安裝與管道試壓

4.1 輸水管道安裝施工工藝流程

輸水管道安裝施工工藝應按照下面步驟實施：①熟悉圖紙和有關技術資料；②施工測量放線；③溝槽開挖及管溝砌筑；④管件加工制作；⑤支架制作及安裝；⑥管道預制及組裝；⑦管道敷設及安裝；⑧管道與設備連接；⑨裸漏鋼管保溫；⑩調試和試壓運轉 ；交工驗收。

4.2 管道試壓

試驗裝置：試壓裝置主要包括管道進水管、進水閥、加壓泵、壓力表、放水閥、排氣閥和堵板等[3]。

管道水壓試驗的分段長度≤1.0 km。鋼管道試壓前，應排除遺留在管道中的鐵渣、焊渣、泥渣堵板可直接與鋼管焊接，也可采作法蘭連接；承插管試壓時，可用尾端焊有鋼制試壓堵板的鋼制承口、插口與承插管連接，再用方木或型鋼作支撐通過后背墻頂住堵板，也可用千斤頂支頂。

5 結 論

長距離管道重力流輸水受地形因素較大，選線設計中應將管道安全放在首位，盡量避開地質災害嚴重地段及活動性斷裂帶地段，避開地面沉陷區，尤其穿越河流、道路及光纜線處等應加以防護措施，避免其他因素來影響管線輸水安全，在計算過程中應注意地形最不利點位的計算、管材靜水壓力的分析，做好線路附屬設施的設計。

[1]李書兵,姚智文.長距離大落差重力流輸水管道改造工程方案探討[J].給水排水，2014(05)：66-69.

[2]楊慶華,翟龍,羅歡.長距離高落差有壓重力流輸水特性研究[J].給水排水，2015(12)：21-28.

[3]羅春林,楊玉芳,王愛軍,等.有壓重力流長距離輸水管道設計體會[J].給水排水,2012, 38(08)：36-38.

Design and Research of Water Delivery by Gravity Flow Project in Long Distance Pipe

SONG Yan

(Haicheng Municipal River Management Office, Haicheng 114200, China)

Full use of gravity flow in a pipe to the end is adopted in the design of a reservoir in Haicheng city to a water delivery project by gravity flow, the water delivery station starts from water delivery tunnel of the reservoir and the end station is located in the pumping station in a town. The spiral submerged arc welded steel pipes are used in the pipe, epoxy powder polyethylene composite structure (there are three layers of PE) is used in the out coating, and the steel pipe is made strictly according to the international standard. This paper introduces the application of long distance water delivery in the reservoir and analyzes several relevant design points appeared in the design of the water delivery pipe, and its aim is to provide references for similar engineering construction.

pipe of long distance; water delivery by gravity flow; height difference; design

1007-7596(2016)10-0011-03

2016-10-16

宋巖(1978-)，女，遼寧海城人，工程師，研究方向為河道、防汛、水利工程施工、水資源管理等。

S277.7

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