某長距離大落差重力輸水管線設計

王世剛

(哈密托實水利水電勘測設計有限責任公司，新疆哈密市 839000)

某長距離大落差重力輸水管線設計

王世剛

(哈密托實水利水電勘測設計有限責任公司，新疆哈密市 839000)

新疆哈密地區干旱缺水，水資源主要來源于天山南北坡各山溪河溝，工礦業用水點大都遠離水源，分布于各水源下游的平原區。四道白楊溝水庫供水工程供水線路地形大都呈現大落差、遠距離，上游山前坡陡，下游逐漸平緩甚至地形隆起呈現逆坡的特點。供水管線均為重力輸水，一般在上游山前陡坡段，為避免管路中水流速過大采用放大管徑閥門控制流速的措施，下游采用倒虹吸管路設計。對調壓井數量選擇、管材及管材壓力選擇、倒虹吸段進口位置選擇進行了多方案的設計投資比較設計。關鍵詞：長距離；重力輸水；倒虹吸；流速控制；管材壓力選擇

1 工程概況

伊吾縣四道白楊溝水庫供水工程位于哈密地區伊吾縣淖毛湖鎮境內，管線總長為78.9 km，管線設計流量1 736.11 m3/h。該工程將四道白楊溝水庫的水通過管道輸送至伊吾縣淖毛湖水廠，再由水廠向淖毛湖工業園區和淖毛湖礦區供水。

根據SL252—2000《水利水電工程等級劃分及洪水標準》，該工程供水對象重要性為中等，工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物及級別為3級，次要建筑物、管道附屬構筑物級別為4級。

2 輸水管道設計

(1) 管材選擇

該工程供水管線長，落差大，全線長78.9 km，落差1 216.557 m。

根據工業供水的要求，一是對水源供水的保證率要高，二是供水管網要有很好的安全可靠性。依據文獻[1]中：對單條重要的大口徑輸水管道，或地質條件較差、使用壓力較高(1.0 MPa以上)時，宜選擇鋼管。當輸水管道穿越河流、鐵路等時宜選擇鋼管。對距離特別長(50 km以上)的大口徑輸水管道，當施工期短，或當地形起伏和使用壓力變化大、地質條件變化大時，可通過技術經濟比較選擇組合管材。

由于本工程為工業供水，保證率要求較高且為單線輸水，工作壓力較大。結合本工程特點及各種管材的優缺點[2-4]，本次設計壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

(2) 管材的沿程水頭損失計算公式及取用參數

依據文獻[5]附條文說明中7.2.2-3中輸配水管道、管網水力平差計算公式：

(1)

式中：L為管長，m；dj為管道內徑，m；q為設計流量，m3/s；Ch為海曾-威廉系數，玻璃鋼管、涂塑鋼管取Ch=140。

依據管道的鋪設情況，局部水頭損失可取到沿程水頭損失的5%～10%。結合本工程的具體情況及以往的經驗[6-10]，局部水頭損失取沿程水頭損失的10%。

(3) 管材公稱壓力的確定

依據文獻[1]中4.3.5:壓力輸水管道的公稱壓力應根據最大使用壓力確定，其值應為最大使用壓力加0.2～0.4 MPa安全余量，當選用非金屬管材時，安全余量可根據經驗適當放大。輸水管道的最大使用壓力，應經過水錘計算確定。

依據文獻[1]中6.1.4：水錘防護設計應保證管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5倍最大工作壓力。

依據以上原則，確定管材公稱壓力。玻璃鋼管：管材公稱壓力=1.5×最大工作壓力+0.4 MPa；涂塑鋼管：管材公稱壓力=1.5×最大工作壓力+0.2 MPa。

3 輸水管道設計方案

四道白楊溝水庫供水管線全長78.879 km，起點0+000 m處高程1 888.772 m，末端78+900 m處高程672.215 m，最低點60+200 m處高程570.747 m。管線地面最大落差為1 318.025 m，始末兩端地面落差1 216.557 m，最低點至管道末端有101.468 m的逆坡，由于該管線落差較大，輸水方式采用重力輸水，逆坡段采用倒虹吸。

3.1 倒虹吸段進口位置選擇

該管線落差較大，最大落差1 318.025 m，輸水方式采用重力輸水，且需設置調壓井進行減壓，由于60+200 m～78+900 m段為逆坡，落差101.468 m，為保證重力輸水將水送至末端，該段采用倒虹吸設計[11-15]，對倒虹吸進口位置設置進行比較。

方案比較管材選擇：壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

(1) 由于48+400 m處高程與末端相同，為檢修方便48+400 m以上考慮設檢修井，最大使用壓力為靜壓，48+400 m以后為動壓。

(2) 倒虹吸進口以后最大使用壓力均按動壓考慮，不設置閥井。

以上各方案比較結果見表1。

表1 倒虹吸段進口設置不同位置比較結果表

(3) 比較結果：48+400 m以上考慮設檢修井，最大使用壓力為靜壓，48+400 m以后為動壓時，倒虹吸進口設置在36+000 m處投資最為經濟，投資為7 085.45萬元；倒虹吸進口以后最大使用壓力均按動壓考慮，不設檢修井時，倒虹吸進口設置在36+000 m處投資最為經濟，投資為6 996.76萬元，本次設計將倒虹吸進口位置設置在36+000 m處。

48+000 m以上考慮設檢修井，為檢修方便，檢修時36+000 m～48+000 m段管內水量不需放空，最大使用壓力需按靜壓設計，最大計算壓力3.1 MPa；36+000 m處倒虹吸進口以后最大使用壓力均按動壓考慮，不設檢修井，最大計算壓力2.5 MPa，檢修時36+000 m～48+000 m段管內水量需放空，該段管內水量為3 261.6 m3。經綜合考慮，檢修不是經常發生，檢修時36+000 m～48+000 m段管內需放空水量不是很大，兩方案相比投資相差88.7萬元。

所以本次設計選擇將倒虹吸進口設置在36+000 m處。36+000 m至末端最大使用壓力按動壓設計，不設檢修井。

(4) 36+000 m～78+900 m段管徑組合比較：根據確定的倒虹吸進口位置36+000 m處，36+000 m至末端不設檢修井、最大使用壓力按動壓設計、對36+000 m～78+900 m段管徑組合進行比較，壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

方案1：36+000 m～39+300 m段采用DN600純玻璃鋼管、39+300m～ 45+000 m段采用D630涂塑鋼管、45+000 m～57+450 m段采用D529的涂塑鋼管、57+450 m～69+400 m段采用D630的涂塑鋼管、69+400 m～78+900 m段采用DN700純玻璃鋼管。

方案2：36+000 m～39+300 m段采用DN600純玻璃鋼管、39+300 m～45+000 m段采用D630涂塑鋼管、45+000 m～59+550 m段采用D529的涂塑鋼管、59+550 m～68+700 m段采用D630的涂塑鋼管、68+700 m～78+879 m段采用DN800純玻璃鋼管。

7.1.1 應實施供應商管理制度，建立供應商評估檔案。供應商應經過相關負責人審核和批準，并定期對供應商進行評估；對高風險產品的供應商實施現場評估。

方案3：36+000 m～39+300 m段采用DN600純玻璃鋼管、39+300 m～51+700 m段采用D630涂塑鋼管、51+750 m～60+200 m段采用D529涂塑鋼管、60+200 m～72+763 m段采用D630涂塑鋼管、72+763 m～78+900 m段采用DN600純玻璃鋼管。

方案4：36+000 m～38+900 m段采用DN700純玻璃鋼管、38+900 m～51+550 m段采用D630涂塑鋼管、51+550 m～59+600 m段采用D529涂塑鋼管、59+600 m～73+400 m段采用D630涂塑鋼管、73+400 m～77+650 m段采用DN600純玻璃鋼管、77+650 m～78+900 m段采用DN500純玻璃鋼管。

經比較：方案1管徑組合方案投資最為經濟，本此設計36+000 m～78+879 m段管徑采用該方案組合方式。各種管徑組合比較結果見表2。

表2 各種管徑組合比較結果表

(5) 管材比較：36+000 m～78+900 m段全部采用涂塑鋼管方案，投資4 740.67萬元；壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管方案，投資為4 197.25萬元。兩方案投資相差543.42萬元。經綜合考慮，本次設計36+000 m～78+879 m段采用管材為：壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

3.2 前36 km調壓井數量及管材選擇

根據確定的最后一座調壓井位置36+000 m處，0+000 m至36+000 m落差為1021.52 m，平均縱坡為1/35，落差較大需設置調壓井進行減壓，根據落差大小對調壓井設置數量進行比較。

管材選擇：方案1全部采用涂塑鋼管；方案2,由于0+000 m～10+000 m段地形起伏變化較大，該段管材均采用涂塑鋼管，其余部分管材壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。以上各方案比較結果見表3。

表3 調壓井設置數量及管材選擇投資結果表

對設置不同數量的調壓井進行比較，比較結果為：設置6、7、8座調壓井，投資均相差不大。經綜合考慮，為運行管理方便，本次設計采用設置6座調壓井方案(方案3)。方案3管材均采用涂塑鋼管比采用純玻璃鋼管+涂塑鋼管組合方案，投資152.71余萬元。

本次設計采用設置調壓井數量為6座， 0+000 m～10+850 m段采用涂塑鋼管，10+850 m～36+000 m段管材壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

3.3 管道設計結果

根據以上各方案比較結果，選定方案為：倒虹吸進口位置設置在36+000 m，36+000 m～78+900 m段最大使用壓力按動壓設計，管材壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。0+000 m～36+000 m段設置6座調壓井,最大使用壓力按靜壓設計，0+000 m～10+850 m段全部采用涂塑鋼管，10+850 m～36+000 m段管材壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管[17-19]。選定方案縱斷面見圖1。

圖1 選定方案縱斷面圖

4 結 語

此文章論述了大落差、遠距離，上游山前坡陡，下游逆坡的重力輸水設計，上游山前陡坡段，為避免管路中水流速過大采用放大管徑閥門控制流速的措施，下游逆坡段采用倒虹吸管路設計。對調壓井數量選擇、管材及管材壓力選擇、倒虹吸段進口位置選擇進行了多方案比較設計。

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Design of Long-distance Big-drop Water Transmission Pipeline with

WANG Shigang

(Hami Tuoshi Water Resources and Hydropower Investigation and Design Co., Ltd., Hami, Xinjiang 839000,China)

Hami Prefecture, Xinjiang Uyghur Autonomous Region, is drought and lack of water. Water resources in this prefectrue are from creeks and rivers in both south and north slopes of Tianshan Mountain. Water consumption locations by industry and mining are far away from water sources, they mostly distribute in plain areas at downstream of those water sources. Topography where the water supply route of the water supply project from Sidao Baiyanggou reservoir lays features big drop, long distance, steep slope in front of mountain at upstream and gentle slope even rise slope forming inverted slope at downstream. The water supply pipeline is of the one by gravity. Generally, pipe with large diameter is selected and valve is installed to avoid the high velocity in the pipeline at the steep slope section in front of mountain at upstream. At downstream, the inverted siphon pipeline is designed. Quantity of surge shaft, pipe materials, material pressure, inlet location of inverted siphon section are designed in term of investment comparison. Key words: long distance; water transmission by gravity; inverted siphon; velocity control; pipe pressure selection

1006—2610(2016)06—0044—04

2016-08-29

王世剛 (1980- )，男，黑龍江省綏化市人，工程師，主要從事農田水利設計工作.

TU991;TV672.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.011