長距離輸水管道配套建筑物存在的突出問題與對策

楊輝琴，李 江

(新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

長距離輸水管道工程在我國重大水資源配置中及基礎設施領域涉及民生方面發揮著越來越大的作用，如“南水北調”工程的規劃建設，使得水資源實現了大區域調度，完成了國家水網“三縱四橫”的總布局以及水資源“南北調配、東西互濟”的配置格局[1]，為工程沿線區域發展帶來了難以估量的社會、經濟和生態效益；新疆喀什市飲水安全工程，總供水管道長度達2000km，解決了喀什一市四縣近百萬人口飲用苦咸水的問題，極大改善和提升了當地民眾的生活質量[2-3]。

長距離輸水管道工程具有水量損失小、污染程度低、管道鋪設不受地形影響、工程施工相對簡單、運行管理方便等諸多優點，但也存在著工程造價高、事故突發時造成人員、財產損失較大等缺點，所以管道運行安全及工程造價一直也是管道設計、生產及運行管理中最需重視的問題。大家關注的焦點集中在管材選擇、管道水錘分析、管道水力學計算及管道防腐設計等突出問題上，管道配套建筑物的設計和維護卻一直為人忽視，長輸管道工程中設置的各類防護和檢修閥都需要設置閥井，過渠、穿路、跨越大江、大河或與燃氣、石油、排污管道交叉都需設置一定設施保證運行安全，近幾年新疆地區長距離管道供水工程中主要配套建筑物的統計數據見表1，從表1中可以看出配套建筑物不僅種類多、數量多，同時在工程運行中也承擔著重要任務，同樣會對工程的工期、安全運行或造價產生重要影響。

2 配套建筑物及存在問題

2.1 各類閥井(房)及存在問題

為保障長輸管道工程運行安全，管線設計中常常要采用各類閥門，如進排氣閥、隔斷閥、放空閥、消能閥、水錘罐及調壓塔等，為保證閥體的使用壽命和安全需為各類閥體設置不同類型的閥井(房)，據統計，工程中每公里的各類閥井(房)數量均在3～9個，見表1，管道越長數量也就越多工程量也就越大。閥井房最大的問題是結構設計與運行管理脫節，例如在長輸管道上使用最多的進排氣閥，它是管道運行最基礎、最關鍵的防護設施，在管道泄空時會大量地補氣，初次充水時又會大量地排氣，但是缺乏經驗的設計者往往忽略了閥井(房)的通風設計，造成補氣量不夠，空氣閥運行過程中會發出嘯叫，寧夏某供水工程進排氣閥房曾發生將大門吸到閥體上的事故，對運行安全十分不利甚至危及運行人員的生命安全。又如長輸管道工程中常用的蝶閥，特別是大口徑工程中采用的閥體直徑大重量大，在進行檢修時閥井內沒有設吊環或吊軌，必須將閥井頂蓋拆除，用吊車等協助檢修，耗時耗力，增加維修成本。其次，閥井(房)設計與環境不適應，在北方地區特別是長距離供水工程中面臨的最大問題是閥井的冬季保溫，南疆某供水工程雖處于寒冷地區，但冬季運行過程中就發生了排氣閥結冰不能運行問題，同樣的問題也在遼寧某供水工程中發生[4]。有的閥房未考慮地下水及腐蝕性問題，工程僅運行幾年就發生井壁混凝土剝離、開裂，閥井進水，影響管道正常運行和安全，增大了維護費用。

表1 新疆部分管道供水工程配套建筑物數量統計表

2.2 穿越及交叉建筑物及存在問題

長距離輸水管道在布置中不可避免的要與沿線各類交通、水利、燃氣、供水、排污、通訊設施發生交叉穿越，看似簡單的交叉問題卻因設計中考慮不周或相互溝通不到位，造成工程工期延后、增大工程費用甚至對相鄰建筑物留下安全隱患。在長輸管道規劃設計中沒有和當地交通或其他規劃部門溝通，管線施工到某地時發現已開工有其他設施需繞行，造成線路調整、工期延后。如和田市城鄉一體化供水工程在線路布置中就因為土地權屬問題多次調線避讓文物保護區及軍事管理區，最終改變了取水點的位置工程才得以順利繼續進行[5]。長輸管道工程穿越大型交通設施時(如鐵路、高速公路)未考慮遠期工程結合問題致使預留的涵管的空間位置不足。另外對于重要交通、石油線路穿越過程中往往忽略設置截斷設施及排水出路設計，就造成了檢修困難或事故時危及重要設施安全。還有的模式化設計、照搬照抄，沒有針對實際，只要遇路就挖、遇渠就跨或都是蓋板涵或頂管型式，造成工程投資過高等問題。

2.3 過洪建筑物及存在問題

長距離供水工程中，管線在穿越溝谷、河道時必須要進行管道的防護處理，各種過洪建筑物的設計型式對管道的安全、工程造價及運行維護有至關重要的作用。目前，管道過洪溝、河道采用地埋型式比較多，設計中對過洪建筑物重視不夠，未沿線洪水實際調查或修建防洪堤等建筑物時為減小工程量任意歸并洪水而不考慮下游建筑物的承受能力，致使管道在洪水期時常被沖出、沖毀甚至歸并洪水將下游設施沖毀的事故時有發生，造成運行管理費用增加和下游設施、人員安全損失。還有工程跨河托管橋或桁架橋沒有考慮設置檢修巡視通道，造成工程后期運行維護不便。

2.4 鎮墩及存在問題

長輸管道工程中的鎮墩分為水平、豎直向的鎮墩，其作用均是為了保證在水流改變方向所產生的不平衡力作用下，管道能依靠混凝土的自重保持管道水平向和縱向穩定，是重要的管道附屬建筑物。在實際工程中經常會發現鎮墩不是體積太大數量眾多就是為節省工程量而不設或少設，有些工程露天鎮墩未考慮溫度應力影響造成混凝土開裂，在侵蝕性環境下引起混凝土腐蝕，加大了管道運行風險也增加了工程投資。

2.5 監測設施及存在問題

長距離輸水管線工程具有線路長、地形復雜等特點，有些超長供水線路長度達到100km以上，并且常常伴著其他重要基礎設施，線路巡視比較困難，一旦發生事故不僅造成水量損失還會危及其他設施的正常運行和安全，因此，管道監測和智能化管理是長輸管道發展的趨勢。長輸管道監測設施往往利用管道附屬建筑物進行設備安裝和數據采集，但是同步設計及施工過程中專業間往往溝通聯系不夠和保護不當，造成設備、線纜漏埋或損壞而影響了數據的準確性。

3 解決對策

3.1 閥井(房)

3.1.1結構設計與其功能要求匹配

結構設計一定要滿足功能使用要求。如進排氣閥型式已從初期的浮球(筒)式、浮球(筒)杠桿式發展到氣缸式、復合式高速進排氣閥和防水錘型排氣閥，所以在掌握不同排氣閥的工作原理及性能特征后，首先確定在上坡段、平坡段和下坡段選擇哪類進排氣閥，然后在閥井設計時根據閥體安裝要求進行結構尺寸設計并要考慮通氣量，并根據通氣量選擇合適直徑的通氣管，通氣管的進排氣量應稍大于進排氣閥的進氣量。進排氣閥的進氣量可根據各段管線的水力坡降采用海森威廉公式進行推導[6]：

Qj=0.2785ChJ0.54d2.63

(1)

式中，Qj—進排氣的進氣量，m3/s；Ch—海森威廉系數；J—水力坡降(J=hf/L)；d—管道直徑，m。

為防止進排氣閥工作過程中通氣管可能會吸入雜物或防止野生動物進入，可考慮在通氣管上焊接柵條。同時為保證長距離輸水管線閥體設備安全，在閥井的進人口處設置安全井蓋，且必須要有專門工具才能打開。

3.1.2具有一定的檢修條件

長輸管道工程中直徑超過1200mm的閥井(房)必須考慮設置檢修平臺或爬梯，方便對閥體設施更換和保養；同時在閥井的井壁和頂梁上考慮預埋吊環，或頂梁上設置滑軌，檢修過程中可以方便吊葫蘆進行設備吊裝和拆卸。

3.1.3適應環境要求

北方地區結構設計不能忽視閥井(房)的保溫設計，由于閥井(房)空間大，設有人孔和通氣孔都會影響保溫效果，除在閥井周邊土回填密實、頂板覆蓋一定厚度的土層外還需在頂板覆蓋一定的保溫苯板，加強保溫效果；調壓塔房則需考慮采用電采暖措施或其他電熱措施，保證設備不結冰。

同時在侵蝕性環境下的閥房還需注意混凝土結構的抗侵蝕措施，采用高性能混凝土或抗硫水泥提高混凝土的耐久性。

3.1.4新型材料及工藝應用

閥井(房)在工程建設中需要拉運骨料現場拌制混凝土施工或采用商品混凝土，受環境、供水、供電及人員素質限制，閥井(房)的質量控制相對較難。同時施工工序較多，對混凝土要進行齡期養護，相對管道施工復雜并且工期較長，在設計過程中對環境條件較好、管道直徑不大的建筑物可考慮采用成品閥井(如樹脂閥井)或拼裝型構筑物，以減少現場混凝土施工量，提高建筑物的施工質量。進人口井蓋多采用鑄鐵和鑄鋼材質，容易被盜竊和銹蝕破壞，可采用復合樹脂材料的輕質防盜井蓋。

3.2 穿越及交叉建筑物

3.2.1做好溝通協調工作

長輸管道工程是線性工程，線路布置中難免和公路、鐵路、石油、天然氣及其他市政設施、水利設施等發生交叉，像新疆和田市城鄉供水一體化工程，工程為中型工程，供水線路總長160km卻和國道、省道交叉8次，穿水利設施26處，堤防3處，交叉建筑物達到近200處[5]。所以長輸管道工程需在規劃設計時就要將初步選定線路和當地相關建設主管部門溝通，然后與土地部門對接是否穿越各類保護區及土地類別，最后和所穿越建筑物所屬行業主管部門協調穿越的位置、穿越的型式，根據現行工程經驗，許多重要設施穿越不僅需要設施主管部門審批還需要其行業設計部門設計方能實施，這就會造成工期及投資的不確定性，所以及早溝通協調是保證工程進展的重要步驟。

3.2.2考慮近遠期結合及經濟性

大型長距離管道輸水工程受投資和供水受益時間的限制，往往會采用分期建設方式，這時設計單位就需對穿越位置和穿越方式進行認真比較，確定合適方式進行穿越。新疆準東供水工程與烏準鐵路有兩次交叉，因為是同期規劃建設，供水工程建設單位與鐵路部門協商，結合本區域規劃對交通和水利基礎設施同時預留通道，采用多跨大跨度橋梁與近遠期高等級公路和供水管線交叉；準東供水工程在與準東經濟開發區高等級公路交叉時也是和公路設計部門及時溝通，考慮近遠期管道問題在同一樁號處預設了兩處蓋板涵，保證了供水工程順利跨越；在穿越216國道時進行了頂管方案和主路開挖輔路通行的方案比較，考慮216國道運輸繁忙又都是拉煤的重載車輛，對輔路的要求高工期長，所以采用頂管方式穿越[7]，此方案有較大施工場地施工方便所以未考慮遠期管線問題。所以遠期管線預留一定與今后該區段施工難易程度和交叉建筑物的建設情況確定，同步建設工程可適當考慮遠期預留。像上述216國道穿越案例，對穿越方案應進行技術經濟比較，在保證安全的前提下對各自建筑物影響程度最小，投資最省才是最優方案。

3.2.3重要穿越位置的安全防護

長距離輸水管道基本上是帶壓運行，管道的壓力多在1～2MPa區間有的甚至更高，一旦發生事故會對穿越處的其他設施造成破壞甚至是較大的人員和財產的損失。準東供水工程在設計之初是伴行烏準鐵路并在其上游側，為保障鐵路安全最終將線路調整至鐵路下游側；在穿越烏準鐵路、216國道、石油管線時在穿越處上下游側均設立了關斷閥、泄水閥及進排氣閥等防護設施，直埋穿越段管材采用耐壓能力強的鋼管并做好鋼筋混凝土的外包防護，涵洞段穿越段設檢修通道，為快速搶修提供條件。特別是以地埋型式穿越河道的管道，盡量不要在河道內設立閥井等建筑物，避免超標洪水對建筑物的損壞而影響整個管線的運行。

3.2.4關注交叉建筑物之間的間距要求

2013年南方某供水工程在頂管作業期間將交叉處的氮氣管道頂裂，引發氮氣泄漏造成5人死亡，1人受傷，經濟損失近千萬元；國內還有多起因穿越處交叉建筑物施工時支擋建筑物失穩造成相鄰建筑物坍塌事故，這些案例反映出建筑物交叉時要和交叉建筑物留有一定的空間間隔，否則易造成安全隱患。GB 50013—2018《室外給水設計規范》[8]對給水管道與其他管線最小水平凈距和垂直凈距都有明確要求，設計時可遵照執行同時考慮施工操作空間要求。

3.3 過洪建筑物

3.3.1重視洪水資料分析和實地調查

過洪建筑物按工程等級可確定自己的洪水標準，但確定標準洪水時與設計單位對洪水的認識程度和投入的人力、精力有密切關系。應關注水文長系列資料的收集、購買及洪水調查，特別是無水文資料區的洪水調查工作是洪峰流量計算的基礎工作；還應根據區域氣候變化對計算參數進行修正，2012年7月陜西佳縣就遭遇了有氣象記錄以來的強降雨，致使長輸管道工程出現各類問題1700多處，管道漂浮30多處，裸露111處[9]。隨著全球氣候變暖，特別是新疆等西北干旱區極端天氣過程與前二十年變化較大，對山前沖洪積扇的暴雨強度、匯流面積、超標洪水應重點研究。

3.3.2重視過洪建筑物型式選擇及防護措施

長輸管道在穿越洪溝、河道時往往選擇地埋或架空方式穿越，不建議采用管下涵的過洪型式，防止因涵洞過洪能力不足或縱坡選擇不合適造成淤堵，威脅管道運行安全。地埋和架空兩種方式各有利弊，在河道較寬、水位較高且年內變化較小的河道為便于施工及檢修采用架空方式比較好，而在水位變化較大區域則采取地埋方式比較好。兩種方式關注的要點是沖刷深度的問題，可以采用GB 50707—2011《河道整治設計規范》[10]、GB 50286—2013《堤防工程設計規范》[11]、JTGC 30—2002《公路工程水文勘測設計規范》[12]、TB 10017—99《鐵路工程水文勘測設計規范》[13]、GB 50423—2007《油氣輸送管道穿越工程設計規范》[14]中的相關公式計算，并結合當地實際沖刷深度調查值進行比較確定。結合沖深計算還需做好管道表面的防護工作，如洪溝處設置上下游銜接段及管道表面的混凝土過洪渠(橋)、河道中管道包封混凝土鎮墩、橋基采用灌注樁、河道穿越處的堤岸漿砌石或混凝土擋墻及護坡保護等。

有些工程為減小開挖工程量采用填方型式埋深管道，但是在山前沖洪積扇區域應盡量避免，防止暴雨造成的坡面匯流對管基的破壞，即使修建排洪涵也會因修建位置和排洪能力問題危及管道安全，有時還會因為修建擋洪堤集中洪水下泄，危及下游設施的安全。北疆某新建供水工程的擋洪堤就因為上述原因將下游的省道路基沖毀，所以在山前沖洪積扇區域，管道盡量采用挖方型式盡量不要高壓原地面以造成阻水問題。

3.4 鎮墩

3.4.1根據需要設置鎮墩

鎮墩根據受力方向分為水平向鎮墩和豎直向鎮墩，不是所有轉向角都需設置鎮墩，轉角較大時，承插接口管道可通過接頭合理偏轉實現轉角，若一味采用鎮墩其體積太大、鋼制管件長不經濟，管道自身偏轉可減少特制管件和混凝土的用量，節省造價。只有管線偏轉角度較小、縱坡較陡且管道為上彎結構時或設有分水三通時，為減小管道軸向拉力，保證管道安全可采用全包封結構結構鎮墩。

3.4.2鎮墩的體型及抗裂

必須設置鎮墩時，應根據其受力及穩定要求合理選擇結構斷面，下彎結構鎮墩是對穩定有利的結構應盡量采用最小尺寸抗滑穩定即可，而上彎及水平鎮墩可適當增厚其受力方向的結構面尺寸。如圖1所示，可加大水平彎管和豎向彎管不利面的鎮墩尺寸。

在滿足鎮墩的結構穩定要求外還要考慮鎮墩的耐久性問題，特別是跨越河道、溝渠段的露天鎮墩及設置在中強腐蝕性、地下水位較高或變幅較大地段的鎮墩，其耐久性關系到管線的運行安全。根據外界環境類型對鎮墩進行限裂設計，布設溫度鋼筋，對腐蝕性強區域的鎮墩采用抗侵蝕高性能混凝土和外隔水措施，提高其使用壽命。

3.5 監測設施

3.5.1監測與工程匹配性

目前長輸管道的監測分為幾個層次，首先是管道基礎數據的監測采集，如管道的流量、壓力、溫度和變形，實現的方式是通過各種傳感器采集和人工測量，通過GRS無線網絡上傳至數據處理平臺，根據數據處理計算反饋至應用管理系統進行判別發出指令。另一種是對管道滲漏檢測及定位、變形監測、腐蝕監測的運行數據采集，實現方式為聲發信號、負壓波、分布式光纖傳感等，將信號上傳至監視分析與管理專用系統中(多采用SCADA系統或仿真模型)進行判別。第一種基礎壓力監測系統具有技術成熟、可靠性高、系統建設成本低等特點，而第二種監測系統涉及的監測項目范圍大、技術較新、成本較高等特點[15-22]。所以監測設施的設立要與工程的規模和重要性相匹配，中小型或一般性工程對基礎數據分析并配合人工巡查是可以保證工程的運行安全，而且投入相對較低，但重要的大型工程運行要求相對較高可采用第二種系統提高管理能力及水平。

3.5.2監測設施供電保證

部分區域的長輸管道工程會穿越無人區，需充分考慮設施的用電問題，由于監測系統的用電量不大，設專門供電線路投資較大，可根據當地情況考慮利用太陽能和風能發電以解決用電問題并考慮風光互補系統來提高系統供電的連續性和穩定性，新疆羅布泊鉀鹽供水工程就采用太陽能來提供電源。

3.5.3監測設施同步施工及保護

監測設施施工一般是由專業公司實施，因此在布設過程中需要監理人員積極協調專業間的存在的問題，在土建、管道及附屬設備安裝施工過程中不要遺漏監測設施的預埋和焊接，施工過程中監督施工單位對已預埋和安裝的設備進行保護，避免不必要的返工及影響今后監測設備的準確性。

4 結語

綜上所述，管道配套建筑物投資雖然小于管材及設備投資，但其對管道安全運行的作用卻是不容忽視的，特別是閥井的保溫、混凝土抗侵蝕，過洪建筑物的抗沖，交叉建筑物實施的經濟性和對相鄰設施安全性等等問題，直接影響到工程運行安全、投資和工期。因此，從設計角度按照交叉建筑物的功能要求完善其運行檢修條件、根據不同受力條件優化其結構、因地制宜合理選擇建筑物防護型式和采用新材料、新工藝；建設單位積極協調辦理各交叉設施主管部門的相關手續，合理選擇相關數字管理系統，都有助于消除工程隱患、保障工程安全運行。

圖1 不同向彎管鎮墩示意圖