長距離輸水管道設計中的若干問題探討

劉 芳

（華東建筑設計研究院有限公司市政工程設計院，上海市 200041）

0 引 言

近年來，我國出現越來越多的長距離輸水工程。長距離輸水模式打破了傳統模式下不同區域條件分割的供水局面，將水資源重新分配。長距離輸水不僅有效解決了飲用水源的水質水量問題，同時還帶動了供水產業的發展，促使大型供水企業的形成。長距離輸水對保障城市供水安全、促進各產業經濟發展都起到了積極作用。

長距離輸水管道的設計是否合理，對整個輸水工程的投資、建設、運營管理等方面的影響都極大。合理的管道設計不僅可以減少工程投資，還對整個輸水系統的安全運行有重要作用。本文以浙江某工廠取水項目為例，對長距離輸水管道設計中的管徑確定、管材選擇和安全防護等問題進行探討。

1 項目概況

該工廠計劃建造一座取水泵房和14.2 km 輸水管道進行取水、輸水，以滿足生產需要。根據建設單位水量需求，一期輸水管末端最大取水量為2 200 m3/h（每年按8 000 h 計），二期輸水管末端最大取水量為4 500 m3/h（每年按8 000 h 計）。設計按遠期規劃考慮，同時滿足近期取水功能要求。河道給水輸送工程按二期規模一次建成，取水泵站的設備按一期規模安裝，并預留二期泵位和管道接口。

參考相關工程，本次設計輸水管道的漏損水量按8%考慮，則輸水管道起點處（即取水泵房）的水量見表1。

表1 本工程輸水管道水量

根據表1 得出，本工程輸水管道一期輸水量為2 376 m3/h，二期輸水量為4 860 m3/h。

由于該工廠內設有一座4 萬m3蓄水池，并引入一根DN800 市政給水管作為應急水源，可保證用水安全，符合《室外給水設計標準》（GB 50013—2018）和《城鎮供水長距離輸水管道工程技術規程》（CECS193：2005）中只設置一根輸水管道的條件，因此本次輸水管道按照僅敷設一根管進行設計。

2 管徑確定

根據《城鎮供水長距離輸水管道工程技術規程》（CECS193：2005）中對有壓輸水管道流速的要求，結合本工程一期、二期輸水量進行初步測算，有DN900、DN1000、DN1200 三種管徑基本滿足流速、水量要求。

進一步對上述三種管徑進行比選，計算其水頭損失和水泵所需揚程。

管道總水頭損失h= 管道沿程水頭損失hy+ 管道局部水頭損失hj

其中，管道沿程水頭損失根據海曾威廉公式計算：

本工程采用焊接鋼管，Ch取120，管道長度為14 200 m。

局部水頭損失按下式進行計算：

本工程設計范圍內包括2 個90°彎頭、140 個45°彎頭、38 個30°彎頭、13 個10°～29°彎頭、46 個蝶閥、60 個伸縮接頭、2 個流量計，總局部阻力系數ξ 為104。

水泵揚程H 按“管道總水頭損失h+ 輸水管起終點高差+ 出水富余水頭”計算，根據建設單位提供的資料，輸水管起終點高差= 原水預處理系統高密池最高設計水位9.97 m- 取水泵房內最低水位0.16 m=9.81 m，出水富余水頭取2 m。

計算結果見表2。

表2 三種管徑水頭損失和水泵揚程比選

從表2 中可以看出，DN900 管道在二期工況下運行時，所需水泵揚程較高，導致輸水管道內壓較大，整個輸水系統存在較大安全隱患，不利于輸水管道穩定運行。因此，從管道安全運行角度來看，DN900 不是最優選擇。

從管道流速和運行安全上，DN1000、DN1200 均屬于合理的選擇。接下來需從經濟角度對上述兩種管徑進行比較。管徑的確定既要考慮工程的一次性投資，也要考慮今后長期的運行費用。DN1200 管道在初期管道成本上投入更多，而DN1000 管道需要配套高揚程水泵，后期運行電費增加。

本工程一期、二期水量變化較大，有兩種水泵選型思路：（1）按二期水量、揚程選擇變頻泵，一期時變頻至低流量低揚程運行；（2）根據一期、二期流量、揚程進行大小泵搭配，一期運行低流量低揚程泵，二期運行高流量高揚程泵。根據建設單位的需求，本工程一期、二期建設時間不超過3 a，方案（2）中低流量低揚程泵使用時間短，閑置率較高，造成資源浪費，因此本工程選擇方案（1）采用變頻泵來滿足一期、二期不同的水量要求。

根據流量、揚程和水泵參數樣本，進行水泵選型如下：

（1）管徑為DN1000 時，選擇Q=1 800 m3/h，H=70 m，電機功率560 kW 的立式斜流變頻泵，一期時采用2 用1 備，變頻至66%運行；二期時增加1 臺泵，3 用1 備。

（2）管徑為DN1200 時，選擇Q=1 800 m3/h，H=38 m，電機功率315 kW 的立式斜流變頻泵，一期時采用2 用1 備，變頻至70%運行；二期時增加1 臺泵，3 用1 備。

電費按照當地電單價0.68 元計算，水泵運行時間按每年8 000 h 計算。

兩種管徑條件下水泵運行成本具體計算，見表3。

表3 兩種管徑條件下水泵運行成本具體計算

從表3 中可以看出：一期工況下，DN1000 管道配套水泵每年運行的電費比DN1200 管道配套水泵每年運行的電費增加57 萬元；二期工況下，DN1000管道配套水泵每年運行的電費比DN1200 管道配套水泵每年運行的電費增加400 萬元。而根據當地管道材料價格，DN1000 管道比DN1200 管道節省的材料費在400 元/m 左右，整個工程輸水管道按14 200 m 計算，最多節省568 萬元的材料費用。在一期工況運行3 a，二期工況運行1 a 后，DN1000 管道的投入成本就超過了DN1200 管道投入成本。

因此，綜合安全運行、節約成本等方面考慮，本工程采用DN1200 管道較為合理。

3 管材選擇

目前，長距離輸水管道中常用的管材主要有鋼管、球墨鑄鐵管、鋼筋混凝土管和玻璃鋼管。上述管材優缺點對比，見表4。

表4 四種管材優缺點對比

針對本工程線路較長、地質條件多變、穿越多處河道、公路等障礙物的特點，設計中選擇采用鋼管。鋼管整體性好，能適應不同地質條件，并可以通過架設管橋、頂管等方式穿越河道、公路等障礙物。

針對鋼管防腐性能較差的問題，本次設計鋼管內防腐采用液體環氧涂料防腐層。防腐做法詳見《鋼制管道液體環氧涂料內防腐層技術標準》（SY/T 0457—2010），普通級防腐，防腐厚度不小于200 μm。

鋼管外防腐不同區段采取不同的外防腐措施：

（1）一般埋地段

本工程埋地鋼管外防腐采用環氧煤瀝青涂料。按特加強級（六油二布）構造設置，干膜厚度不小于600 μm。

環氧煤瀝青涂料外防腐層結構：底漆- 面漆-面漆-玻璃布-面漆-面漆-玻璃布-面漆-面漆。

（2）跨河道橋架段

本工程跨河道橋架段鋼管外防腐采用環氧煤瀝青涂料。按加強級（四油一布）構造設置，干膜厚度不小于400 μm。

環氧煤瀝青涂料外防腐層結構：底漆- 面漆-面漆- 玻璃布- 面漆- 面漆。

（3）過路頂管段

本工程過路頂管段鋼管外防腐采用熔結環氧粉末涂層，相應涂裝質量標準按《熔融結合環氧粉末涂料的防腐蝕涂裝》（GB/T 18593—2010）執行，涂層厚度不小于400 μm。

4 安全防護

長距離輸水管道的安全防護問題主要包括水錘防護和事故取水兩個方面。由于本工程僅設置一根取水管道，管道事故檢修時由廠區內的蓄水池和市政給水管供水，事故取水能得到保障。因此，本次設計中安全防護的重點在于水錘防護。

本工程設計中采用以下措施防止水錘：

（1）防水錘型排氣閥

本工程在輸水管道局部高點設置防水錘型排氣閥，在管道運行時能排出集結的空氣，同時在管道內出現負壓時，可以迅速吸入空氣，消除管道負壓，保護管道運行安全。

（2）重錘式液控止回閥

在水泵出水管后設置重錘式液控止回閥可有效減少水泵停止時產生的水錘，保護管道運行安全。

（3）控制閥門啟閉時間

閥門啟閉過快是產生直接水錘的主要原因，延長閥門啟閉時間可明顯減小直接水錘，有利于管道運行安全。

根據相關單位提供的《長距離供水管道水力分析研究計算報告》（以下簡稱《報告》），對本次設計方案進行復核驗算。《報告》認為：本次設計管道在穩態運行時滿足承壓標準，在故障停泵時管道中各管段壓力均滿足要求，無須再采取額外的水錘防護措施?！秷蟾妗方ㄗh當水泵發生反轉時，調節閥門關閉規律（調整為第一段40 s 關閉80%，第二段200 s 關閉20%）和開啟規律（調整為一段直線40 s 開啟），從而緩解停泵時水泵發生反轉和啟泵時泵后存在較大壓強的問題。

5 結 論

在長距離輸水工程設計中，輸水管道的管徑確定、管材選擇、安全防護等工作都至關重要。選用的管道口徑過小，會加大水頭損失，需要選用揚程較高的水泵，直接增加后期泵站運行費用；選用的管道口徑過大，會導致管道流速過低，造成固體雜質沉積，加大壓力管道后期運維難度；管材選擇直接影響工程造價、施工難度等方面；而安全防護設計決定了管道的使用壽命。在設計中，應根據工程實際情況進行技術、經濟綜合比較，并需要考慮輸水系統安全運行的措施，選擇最合理的管徑、最合適的管材、最安全的防護。本文根據實際案例對長距離輸水管道設計中的若干問題進行探討，綜合安全性、可靠性、經濟性等方面進行管徑確定、管材選擇、安全防護等。