南水北調配套輸水管道工程設計要點

李云光

(河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

0 前言

提升南水北調配套工程各段的施工質量，需要在配套輸水管道工程的設計過程中，充分考慮區域性的因素，嚴格遵守相應的設計標準與要點，保障管道材料、工藝應用等能夠達到南水北調配套工程的要求，通過輸水管道工程來實現水資源的合理分配與利用，提升南水北調工程的綜合效益。

1 工程概況

河南省地處南水北調中線工程，在整個工程項目中，受水區供水配套工程供水目標主要為南陽、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作等11個省轄市和所屬的6個縣級市、28個縣城以及鄧州市、滑縣兩個直管市(縣)共47個城市的85個水廠。在河南省內，配套工程輸水線路總長967.01 km，其中，輸水線路長958.29 km，輸水涵洞(暗渠)長4.02 km，明渠長4.70 km。

2 設計原則與要點

由于河南的地域條件相對復雜，要保障南水北調配套輸水管道工程的建設施工質量，在整個線路布置中，需要遵循以下的要點：一是根據各個城市的總體規劃與供水規劃來進行，既要滿足近期的規劃建設要求，還需要符合遠期規劃的標準，在設計時充分考慮城鎮化發展、拆遷改建擴建、投資控制等因素；盡量在輸水管道的規劃中，考慮現狀發展和道路規劃要求，減少輸水管道與已有建筑物、管網和道路等的交叉。二是充分利用河南省內途徑市縣的地形地勢條件，在條件允許的情況下，考慮重水流輸水設計，盡量在輸水管道設計時，保持平直性，減少急轉彎設計，通過設計優化和改進來控制水力損失。整體的設計過程中，如果存在管道允許調整角度的設計要求，需對鎮墩數量加以有效控制，盡量將工程規模控制在合理的范圍內，避免不必要的工程經濟損失。三是當需要進行穿越段輸水管道工程施工時，盡量選擇垂直穿越設計，在穿越河流時，管道埋設設計非常關鍵，如果要保障設計的合理性，需充分考慮河流洪水沖刷線；如果穿越的是大型道路，需盡量避免對原有道路交通所造成的不利影響，可以采用頂管或者箱涵穿越的方式。四是管道埋設設計需要從區域凍土深度、敷設位置、荷載較大段的實際情況出發，針對河南特殊的地理環境，對于耕地內敷設的管線，管頂覆土需在1.50 m以上，而在城區或者荷載較大段，管頂覆土需在2.00 m以上。

3 南水北調配套輸水管道工程設計要點

3.1 輸水管材選擇

3.1.1 鋼管

鋼管管材比較特殊，決定了鋼管的強度較高，可承受較大的壓力，很強的地形適應性。在輸水管道工程中，如果應用的是鋼管，還能夠有效減小水頭損失，再加上單位管長的重量較小，鋼管的密封性較好，本身具有對地基不均勻沉降的抵御能力，即使是相對復雜的地形地質條件下，鋼管同樣可以得到有效的使用。但是，鋼管在使用時同樣存在著一定的缺陷，具體表現在：剛度小，大口徑管在使用時極易發生變形現象；鋼管的抗腐蝕能力較差，極易出現銹蝕現象，輸水管道中如果使用的是這種管材，當出現銹蝕以后，水質質量難以保障；管道防腐層易老化，耐久性不足；在整個施工過程中，涉及的焊接工作任務繁重。

3.1.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管可承受內水壓力超過2.00 MPa以上，通常有50 a的使用壽命，其延伸率、剛度、抗拉強度均強于金屬管道，承受土壤靜荷載及地面動荷載的能力通常比其他管材強。球墨鑄鐵管系柔性接口，拆裝方便、承受局部沉陷的能力好，特別在有地下水或管內有少量余水的狀況下維修容易。球墨鑄鐵管通常外表面首先噴涂鋅層，再噴涂瀝青保護，耐腐蝕性比非金屬管材弱，但比鋼管強。

由于DN≥1 400 mm及DN≤200 mm的球墨鑄鐵管，鑄造難度大、相對價格高，且大口徑球墨鑄鐵管的管件，鑄造難度大、同時大口徑球墨鑄鐵管管壁簿，承、插口端容易變形，影響管道敷設。因此，在國內各城市供水管網中，球墨鑄鐵管目前宜適用于DN300～1 200 mm之內。

3.1.3 預應力鋼筋混凝土管

預應力鋼筋混凝土管同樣是輸水管道工程設計時常用的管材類型，這一類管材的加工工藝相對簡單，整體的工程造價相對較低，管道在使用過程中，抗滲性和耐久性都較好，整體的施工效率高，具有安裝的便捷性。此外，PCP管的內壁比較光滑，發生結垢現象的概率較低，能夠在輸水管道中保持良好的水力條件，輸水能力較強，且管道的抗腐蝕性高，基本上不需要對管道進行內外的防腐處理。但是，PCP管在使用的過程中同樣存在著一定的缺陷，比如，管道的質量較重，運輸相對不便，承接插口的加工精度控制難度大，整體的接頭非常復雜，后續的維護檢修非常不便，一些管體部位會出現空鼓與裂縫，最終將會引起滲漏水問題，造成水資源的浪費。

3.1.4 預應力鋼筒混凝土管

預應力鋼筒混凝土管是一種復合管材，由鋼筒、鋼絲和混凝土構成，這種特殊的構成使得其在應用的過程中能夠有效發揮鋼管和預應力鋼筋混凝土管的優勢。如果在南水北調配套輸水管道工程設計時選擇的是這種管材，能夠有效發揮這類管材的管徑范圍大、承受壓力高、高抗滲性優勢。此外，這一管材的管壁厚、剛度大、抗震能力強，腐蝕現象發生概率低。管子接口的加工精度非常高，雙橡膠圈的方式使得管材的密封性非常好，承插式安裝方式下，更具高效性與便捷性，整體的維修費用較低。但是，PCCP管在使用時對鋼絲質量有著較高的要求，保護層比較薄，管道重量大，運輸非常不便。

3.2 輸水管道管徑的選擇

河南省南水北調受水區供水配套工程在輸水管道方面的資金投入占總投資份額較重，在此之中，由于壓重力的管道輸水較多，這對于依賴重力輸水的同類管材來說，當管道直徑越大時，水頭損失會相對較小，對水廠可利用水頭偏高，總體的管道工程投資較大；相反，當管徑較小的情況下，將會存在較大的水頭損失，水廠可利用的水頭較小，管道投資也相對較小。對于依靠提水的同一種管材而言，當管徑增大的情況下，管道一次性投資規模較大，管路在使用過程中存在的阻力相對較小，也就使得管道運行時的耗電量、運行費用相對偏低；相反，在管徑減小的情況下，管道一次性投資規模也相對較小，管道運行時的阻力非常大。再加上管道管徑與工程投資規模之間存在著緊密的聯系，如果想要提升輸水管道設計的質量，相關人員在實際的設計過程中，必須要結合工程現場的具體情況以及相應的標準，來確定最佳的管徑。對依靠重力作用進行輸水的管道來說，在選取經濟管徑時，通常要結合管道設計流速來予以確定，若是壓力輸水管道，則設計流速在0.60～3 m/s范圍內，在達到了流速與水廠水位的要求以后，盡量選用小管徑。

3.3 輸水管道工作壓力的選擇

配套輸水管道工程設計時，工作壓力同樣是管道設計時需要重點考慮的因素，由于輸水管道各個分水口門的工作壓力存在一定的差異，即使是同一口門輸水管道各段的工作壓力也會存在較大的區別，這些工作壓力在設計時不僅會受到地形條件的影響，還會受到其他因素的影響。在工作壓力的設計過程中，專業的設計人員需結合輸水管道工程的基本標準與要求，充分考慮多方面的因素，保障管道沿線工作壓力計算的準確性。通常狀況下，鋼管和球墨鑄鐵管的強度相對而言會比較高，管材壓力普遍設計為1.60 MPa，這些類型的管材在工作壓力設計時基本上不會對總體的管道工程投資產生較大的影響。

4 結語

南水北調是中國的重點工程項目，這一項目實施實現了水資源的合理調配，滿足了水資源使用需求。輸水管道工程作為南水北調工程中的重點，在設計的過程中，需充分從綜合性的角度，保障管材選擇、管道各種參數設計等能夠達到相應的標準。