某補水管道遷改段水力損失等相關計算分析

楊 彬

(廣州市水務規劃勘測設計研究院，廣州 510640)

1 工程基本情況及方案設計

1.1 工程背景

廣州市天河區車陂路北延線工程南聯車陂路過江隧道，北接柯木塱南路，作為中新知識城至生物島快速通道在天河區內的重要節段，起到整個快速通道建設承上啟下的作用。車陂北延線穿廣州環城高速隧道段施工范圍埋設有一條DN1800的三涌補水工程的補水管道，主要擔負處于中心城區的幾條重要河涌的補水任務。隧道施工段與現狀補水管線高程上存在沖突，由于管材本身的局限性無法滿足隧道施工要求，同時影響補水任務的正常進行，因此管線遷改的實施是必要的。

1.2 設計方案

車陂北延線隧道基坑施工范圍與三涌補水二期管線原設計樁號為4+822.46～4+966.74段發生沖突，現需對現狀管道進行臨時遷改，待基坑施工完畢后，再對臨時遷改的管道進行永久遷改，其后拆除臨遷管道，該段管線需遷改長度為144.28m。本次臨時遷改管線合計長度為211.75m，永久遷改管線合計長度為157.25m。

由于遷改管段轉變較大，對于管材的材料的材質要求較高，特別是管段的整體性和連接牢固性。經過對PCPP、球墨鑄鐵及鋼管等管材進行比選，本工程新建遷改補水管采用D1820×16鋼管，其質量標準應符合相關要求，管壁厚為16mm。管道使用年限為50a。

本次永久遷改管道敷設考慮采用明挖方式，放坡開挖段兩側均采用1：1邊坡開挖。溝槽填土按分區密實原則布置。本次設計永久遷改段給水管管底距離隧道頂垂直凈距為0.3m，該段給水管位于非機動車道處，本次設計覆土深度為1.0m。

工程總體流程按照：臨遷管施工→車陂北延線穿環城高速段隧道基坑及基坑內結構施工→永遷管施工→拆除臨遷管的順序進行。管道遷改的起點及終點位置擬使用PCCP-鋼管轉換接頭進行銜接。

2 鋼管管道厚度復核計算

2.1 受力條件分析

縫隙ζ2的建議取值范圍為(3.5-4.3)×104r(r為鋼管內半徑)。本次設計管道內半徑為0.894m，經計算取縫隙ζ2=0.38mm。

縫隙判別條件：σRr/Es2≥ζ2。經計算，鋼管的抗力限值σR=161.538N/mm2，平面應變的鋼材彈模Es2=226373.63N/mm2，σRr/Es2>ζ2=0.38mm。

2.2 內水壓力設計值計算

依據相關報告水錘計算章節，可得到水錘壓力計算值為H水擊=68.70m。

對應公式，內水壓力設計值p=γWH=γW[γQ1×(Z蓄-Z安)+γQ2×H水擊]

各種作用分項系數取值為：水壓力γQ1=1.0，水擊(水錘)壓力γQ2=1.1。將各參數帶入可得內水壓力設計值p=0.75N/mm2=0.75MPa。

壓力鋼管內的靜水壓力標準值，一般取值與設計內水壓的計算值一致，且鋼管試驗壓力≥0.9MPa，因此本次遷改段的鋼管試驗壓力取值為1.0MPa，設計工作壓力取值為0.5MPa。實驗應符合相關驗收規范中的要求。

2.3 管壁厚度計算

內壓設計按照巴洛(Barlow)環向應力計算，則管壁厚度t按下式計算：

(1)

式中：p為內水壓力設計值，N/mm2；r為鋼管內半徑，mm；σR為鋼管結構構件的抗力限值，N/mm2。

經計算，管壁厚度t= 5.5m，考慮銹蝕厚度4mm。承受外壓的直管厚和加強要求應符合現行國家標準《鋼制壓力容器》GB150-3.7的規定。

2.4 計算結果分析結論

經理論計算所得鋼管壁厚一般偏小，通常建議按國家標準進行選擇。結合鋼管標稱外徑、標稱壁厚表，確定本次鋼管尺寸為D1820×16。

2.5 管道附屬設施

輸水管渠內宜設置檢查井與通氣設施，以滿足管道實際正常運行的需求。本次遷改段管道附屬設施包括：

1)檢修閥井2座，位于管道遷改起點及終點處；

2)空氣閥井1座，位于管道遷改段頂點處；

3)PCCP-鋼管轉換接頭2件；

4)鎮墩2個，位于管道遷改起始及終點位置彎折處。

3 水頭損失分析(定量計算)

3.1 東圃泵站揚程數據

原三條河涌聯合補水二期工程為新建一條抽水干線管道，引東圃泵站水至調蓄池。東圃泵站水頭損失為自身泵站水頭損失及環城主干管線沿程和局部水頭損失，計算上另考慮推薦管材及管線局部高點。管材采用PCCP管。東圃泵站特征揚程計算結果如表1。

3.2 基本設計資料

1)現狀管道遷改長度為144.28m，遷改段整段為直管，無彎折。管材為D1800 PCCP管，管道的內壁為混凝土，粗糙系數為n=0.013。

2)臨時遷改管道長度為211.75m，有4處<30°的轉彎，管材為D1820×16焊接鋼管。

3)永久遷改管道長度為157.25m，有4處<60°的轉彎，管材為D1820×16焊接鋼管。

表1 東圃泵站特征揚程計算表

3.3 本次管線遷改段相關設計參數

遷改段設計參數表，見表2。

表2 遷改段設計參數表

3.4 參數選取

1)鋼管的粗糙系數為n=0.013。

3)經試算，沿程水頭損失系數λ=0.013[2]。

3.5 全段水頭損失計算及分析

1)東圃泵站至車陂北延線隧道段管道水力損失為：

兩三歲的孩子會對自己和他人的身體表現出濃厚的興趣：許多孩子喜歡摸自己的生殖器，有時他們也會要求摸媽媽的乳房，跟媽媽一起洗澡。面對這些情況，父母表現出來的態度越坦然，越有利于孩子接收正確的信息。

2)補水管在車陂北延線隧道段提升所需揚程(考慮補水管管頂標高)

由《東圃泵站特征揚程計算表》可知，泵站水力損失為1.49m，東圃泵站至車陂北延線隧道段管道水力損失為10.13m，則補水管在車陂北延線隧道段提升所需揚程為：

①臨遷管：H凈+hf+hj+h泵=(12.05+0.9-1.05)+10.13+1.49=23.52(m)

②永遷管：H凈+hf+hj+h泵(15.75+0.9-1.05)+10.13+1.49=27.22(m)

由上述計算結果可得知：

1)補水管在處提升所需揚程27.22m<泵站設計總揚程37.02m。

2)驗算結論：補水管的水頭可以通過臨遷管及永遷管。

3.6 遷改段水頭損失計算

依據上述公式可得水頭損失計算值如下表所示。

1)現狀管道水頭損失

(2)

2)臨時遷改管道水頭損失

(3)

3)永久遷改管道水頭損失

(4)

表3 水頭損失計算成果表

3.7 遷改段水頭損失分析

1)現狀泵站及輸水管的總水頭損失值

根據《東圃泵站特征揚程計算表》數據可知，現狀泵站及輸水管的總水頭損失為19.05+1.49=20.54m 。

2)遷改管段的水頭損失變化值見表4。

3)遷改管道水頭損失變化率

由以上計算結果可知，臨時遷改后的水頭損失增加僅為0.214m，為原泵站及輸水管的總水頭損失的0.214/20.54=1.04%；永久遷改后的水頭損失增加僅為0.069m，為原泵站及輸水管的總水頭損失的0.069/20.54=0.34%。

表4 遷改管段的水頭損失變化值表

表5 遷改管道水頭損失變化率表

根據上述計算結果可知，遷改管道水頭損失變化值及變化率均較小，故可知遷改工程對泵站及輸水管水頭損失的影響非常小。

4 流量、用電量等影響分析(定性分析)

4.1 流量影響分析

管道特性的改變(管道長度、材質、局部損失等)，在同等的其他運行條件下，流量揚程會發生相應變化，以東圃水泵參數為例，管道變化會導致曲線左移，流量減小。

同時，管道的老化程度、水質對水損的影響、水泵閥門等老化磨損影響，甚至管道摩擦系數選取、局部水損系數選取等，都會影響水力計算的準確性，無法完全依據曲線圖讀出流量變化值，通常會與實際情況存在差異。因此建議流量變化以實測為準，本次僅做定性分析。

綜上分析，本次遷改段對泵站的運行及流量的影響非常小。

4.2 用電量影響分析

用電量主要與開關水泵時間有關，其他影響相對較小，大致可忽略。

5 結 論

結合車陂北延線段補水管線遷改工程，提出了合理可行的管線遷改方案，并對管線遷改對現狀三涌補水管線運行安全的影響進行了定量計算及定性分析，最終得出結論，遷改段各項指標滿足要求，不影響補水任務的正常進行。本次計算所采用公式及圖表均較于實際情況有所簡化，管道的糙率、管道的內部空氣阻力以及管道因遷改需要而使用的彎段接頭都是造成沿程水頭損失和局部水頭損失增加的原因。在允許的范圍盡可能的減小管道的水頭損失，以及合理安排管線接駁期間的停水計劃是管線遷改方案需要重點關注的方面。

中心城區補水管線工程的建設是水資源優化配置的重要措施，是城市基礎設施建設中重要的一環。隨著城市的發展，人口的快速增長，完善城市中心城區路網結構、緩解交通壓力越發迫切，隨之而來的道路擴建、地鐵、隧洞的建設，也讓地下補水管線等面臨不斷地遷改。而補水管道的運行及維護是一項復雜且系統的工程，管線遷改的安全計算分析研究工作仍需從多方面不斷地完善和充實。