某備用水源輸水管道設計方案分析

黃文圻

中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司 四川 成都 610000

長距離的輸水管道在設計過程中會有不斷變化的設計輸入，在進行設計時需結合施工操作、運輸安裝、管理運行等方面進行綜合考慮，現就對某一輸水管道的設計方案進行分析，并根據項目自身的特點提出一些設計建議。

1 工程概況

某自來水廠原取水水源單一，若取水水源發生水質污染、水質超標等情況，將造成城市供水中斷，居民生產和生活用水難以得到保障，對經濟、社會將會造成嚴重的影響。現另尋一水源，建設一條輸水管道作為自來水廠的備用水源，以保證自來水廠在原主水源不能供水的情況下能夠正常運行，保障基本民生。本文就輸水管道的全程設計方案進行論述及分析[1]。

2 工程設計方案

2.1 管材選擇

常用的給水管有鋼管、球墨鑄鐵管、PE管等。其中鋼管優點是承壓能力大，具有較強的韌性，不易斷裂，管件品種齊全，鋪設方便等，缺點是價格高，易腐蝕；球墨鑄鐵管常用于中小口徑輸水管道，具有豐富的使用經驗，且有很好的抗腐蝕能力，抗震性能較好，但管體相對笨重，安裝時需運用機械，安裝要求高；PE管重量輕，具有良好的耐腐蝕性、韌性好、撓性好，但是抗壓耐壓強度較低，抗沖擊性較差，對紫外線較敏感，一般用于低壓力小直徑的管材。

本工程輸水管道設計流量q=1.27m3/s，管道全長約6400m，管道起點與終點的水頭差約為66m，屬于長距離大管徑輸水工程。管材的選擇與當地氣候、地形地貌、項目地交通條件、項目造價以及市場使用和發展情況等均有關系。本項目輸水線路地貌多樣化且地形起伏較大，部分管道甚至會穿越河道，復雜的地質條件對管材的性能要求很高。考慮到本項目的實際地質情況，為便于工程材料的運輸及安裝并保證供水管道的安全性，本工程采用管材性能最好的鋼管。

2.2 管道水力計算

根據已有水力設計輸入進行管徑的選擇并進行相應水力計算以選擇合適的管徑。

設計輸入：q=1.27m3/s，水頭差△h=66m，管道長度L=6400m

管徑試算：

當管徑D=920mm時，v=1.99m/s，△hl＝40.7m

當管徑D=1020mm時，v=1.62m/s，△h2＝23.3m

選用D=920mm的鋼管時，總水頭損失較大，若選用D=1020mm的鋼管，總水頭損失較小，由于本工程水壓來自于管道起點和終點的自然水頭差，無需人為提供水壓，因此可選用D=920mm的鋼管，減少管道的工程投資，提高工程的經濟性。

由于本工程的管道線路地形起伏較大，起點與終點之間有多個山脊，在進行管道豎向高程布置時，管道始終要布置于水力坡降線以下，方能保證管道能正常運行。通過對管道進行水力復核，D=920mm鋼管能始終布置于管道水力坡降線以下，滿足管道水力要求。同時根據管道工作壓力按照最不利工況選擇管道壓力等級的原則，綜合水力計算結果，根據不同地段、不同敷設方法、不同工作壓力，分段確定管壁厚度。

2.3 管道敷設

該輸水管道線路地形復雜，會經過茶園、果林、河道、民居、市政道路等地段，管道在敷設時需根據具體地質情況進行相應調整，提高工程的可行性與經濟性。管道敷設于茶園下時，管道的覆土厚度1m即可；在經過果林時，覆土厚度可達到1.2m；而在經過市政道路時，覆土厚度可設置為1.5m；在經過民居時，由于客觀條件管道不能深埋，管道可采用混凝土包封并進行淺埋，有些不適宜管道埋地的路段，管道可采用明管包封的形式；而對于過河的管道可采取河底穿越以及河面跨越兩種方式。

河底穿越即采取倒虹管的形式，需根據工程實際情況選擇施工難度較小的方案，管線宜設在河道較窄、河床及兩岸岸坡穩定且坡度較緩處，根據水流沖刷等情況，倒虹管敷設在河床下的深度一般管頂距河床底面的距離不小于0.5m，在航運范圍內不得小于1.0m，同時需滿足抗浮要求。

當工程采用倒虹管形式實施困難時也可采用河面跨越管道。本工程部分過河管道采用了拱管式河面跨越，拱管在其最高點需設置排氣閥。其優點是利用鋼管本身作為承重結構，節省支承材料，施工方便，缺點是視覺上不夠美觀。

管道過河的方式較多，各種方式均有自己的優缺點，在工程實施中要根據工程本身情況綜合考慮選擇合適的方式。

管道設計還需根據工程實際情況考慮保溫措施。本工程所在地區在冬季不需要采取保溫措施，如遇寒冷地區，管道的埋深需根據地區冰凍線確定，如無法滿足冰凍線的埋深要求，管道可采用聚氨酯發泡，保溫巖棉等形式保溫。

2.4 管道防腐

管道沿線的土壤以及運輸的水對于鋼管本身均有一定的腐蝕作用，因此鋼管的防腐十分重要，做好防腐措施才能保證其使用年限。

鋼管防腐分為外防腐及內防腐，為保證工程質量，管體的內外防腐層宜在工廠內完成，現場連接的補口需按相關設計要求處理。

(1)鋼管內防腐

鋼管內防腐常用的防腐材料有水泥砂漿、液體環氧涂料，本工程的鋼管管徑為D920mm，可采用水泥砂漿防腐，其具有防腐性能可靠、水力條件優越、經濟效益明顯等優勢。

(2)鋼管外防腐

埋地鋼管的常用外防腐涂層材料主要有石油瀝青、環氧煤瀝青以及環氧樹脂玻璃鋼等。

本工程選用適應性和可靠性較好的環氧煤瀝青作為輸水管道的外防腐材料，其防腐層構造可分為普通級（三油）、加強級（四油一布）和特加強級（六油二布）三個等級。結合工程經驗，本工程采用特加強級環氧煤瀝青外防腐。其結構為底漆--面漆--面漆、玻璃布、面漆--面漆、玻璃布、面漆--面漆，干膜厚度≥0.60mm。玻璃布要拉緊，表面需平整，無皺折和鼓泡，若出現鼓泡，可用小刀將其割破，擠出泡內空氣。

2.5 管道陰極保護

金屬管道埋在土壤中容易發生腐蝕，是金屬的一種正常現象。特別是金屬管道防腐層未做好則會加快管道的腐蝕速度。埋地的鋼管通常采用涂層和陰極保護兩種方式聯合防腐。陰極保護有犧牲陽極法和外加電流法兩種方法。本工程采用犧牲陽極法，該法的優點是成本低、施工維護簡單，安全可靠，對其他地下金屬設施電干擾少，管理方便，陽極壽命可達20年以上。

影響埋地鋼管腐蝕速度的因素是多方面的，主要取決于土壤的性質，而土壤電阻率是判斷土壤腐蝕性的最基本參數，也可作為犧牲陽極種類的選擇依據[2]。

2.6 水錘計算

在有壓管道中，由于某種外界原因（如閥門突然關閉、水泵機組突然停止）使水的流速突然發生變化，從而引起水擊，這種水力現象稱為水擊或水錘。水錘容易導致水泵、閥門以及管道的破壞，嚴重影響工程的正常運行。為了減少水錘產生的影響，需在管路中采取一系列有效措施，并在必要時安裝相應設備。

(1)降低管內水的流速，可在一定程度上降低水錘壓力，但會增大輸水管管徑，增加工程投資，經濟性較差。

(2)輸水管線布置應結合地形綜合考慮，盡量減少駝峰或坡度劇變的設計，降低水錘發生的可能性。

(3)若用泵取水時，停泵時泵的幾何揚程與水錘影響的大小也有關系。泵的幾何揚程越高，停泵時水錘值也越大。因此，應根據工程實際情況選用合理的水泵揚程。

(4)啟泵時水泵出口閥門不要一下全部打開，否則會產生很大的水沖擊。

(5)安裝水錘消除器。水錘消除器可在管道正常運行時有效地消除具有破壞性的沖擊波，達到保護管道系統的目的，但要注意水錘消除器的安裝一定要規范。

(6)延長開閥和關閥時間。閥門的快速開關是產生水錘的一個重要因素，延長開關閥門時間也能有效地減少水錘對管道系統地影響。

本工程輸水管道是重力取水，而且管線布置合理，且DN900的手動蝶閥開啟關閉時間較長，故產生水錘的可能性較小或水錘產生后的危害性較小。

2.7 附屬設施

根據本工程實際情況，需設置鎮墩、架空支墩、排（進）氣閥、排水閥、檢修閥門及人孔、流量計等管道附屬設施。

本工程有部分管道埋于陡坡處，為保證管道的穩定性需設置鎮墩，一般可根據工程經驗設置，也可通過精確計算確定鎮墩的設計相關參數。

當管道由于地形原因需要架空時，則需要設置架空支墩，相關支墩的設計可結合《自承式平直形架空鋼管》（05S506-1）進行計算確定。

當管道內含有大量空氣時，會出現氣阻，影響管道的正常水力流態，因此需在輸水管道的隆起點和平直段的必要位置上設排（進）氣設施。當管線布置平緩時，可間隔1km左右設置一個排（進）氣設施。選用復合式排氣閥，不但可排除管內的空氣，同時當管道因停泵以及放空時，管道內會出現負壓引起管道的振動或破裂，這時排（進）氣閥就會迅速把空氣吸入管內，防止管道產生振動或破裂。排（進）氣閥的大小一般可取輸水管道直徑的1/8~1/5。

管道輸送的水中會含有部分雜質，在輸水過程中這些雜質可能會沉積在管內，長期以往會影響管道的正常運行，降低管道輸水能力。在輸水管道的低洼處設置排水閥可排放管道中的殘留水及部分雜質，特別是對于含沙量大的水，排水閥的設置可降低下游管道中沙的含量，提高輸送水的水質。在市政道路給水管道中，排水閥的出水可通過排泥濕井溢流至最近的雨水口中，而在野外的輸水管道中，排水閥可直接接至河溝或其他合適的水域，具體設計可由現場實際情況確定。排水閥的大小一般取輸水管直徑的1/5~1/3。

對于長距離輸水管道，需設置檢修閥門，閥門的間距需根據事故搶修允許的排水時間確定，并結合地形等綜合考慮。一般管道起點、終點以及穿越河道等特殊節點需按照有關規定設置閥門。如果人能進入管道，管道也應在必要的位置設置檢修人孔，方便管道的維護。

本工程為備用水源輸水管道，輸送的水量需根據自來水廠的需水量確定，由于采取自然水頭取水，需在管道末端對水量進行流量監測并進行管道水量的調整[3]。

2.8 管道結構設計

(1)管道結構設計需遵循以下原則

①應根據輸水方式、地形、工程地質、交通運輸、經濟性、可行性等條件，經多方案比較后選擇線路走向。②管道布置應少占農田和不占良田。在通過農田時，應結合農田水利等規劃進行設計。③線路走向應力求順直，宜沿道路定線。④管道應盡量避免經過地形起伏過大區域，盡量選擇平緩的地形。⑤管道應盡量避開滑坡、崩塌、泥石流、沼澤、池塘、河谷等工程地質不良地段以及高地下水位地區、河流淹沒和沖刷地區等。當受條件限制必須通過時，應采取可靠防護措施，綜合考慮工程的安全性、可行性以及經濟性。⑥盡量減少與天然或人工障礙物交叉。當必須與河流、湖泊、公路、鐵路等交叉時，應盡可能利用現有穿跨越設施，同時不宜通過廠礦企業等特殊地區。

(2)不同地質情況管道設計

本工程管道沿線地形復雜，需根據不同的地質條件采用不同的結構形式，下簡單羅列幾種不同地質狀況時采取的結構處理方式。

①管道沿斜坡和沖溝敷設，若斜坡的坡體主要由素填土組成且素填土回填時間超過十年，坡體自重固結基本完成，具有一定的承載力，但填土邊坡仍受流水沖刷容易局部垮塌。建議管道考慮采用素填土作為管道持力層，但采用素填土作為持力層時應復核地基承載力，沖溝底部的軟土不能作為地基持力層，應提前清除，沖溝附近建議對管道進行防護。②管道沿河道敷設時，若河道底部有少量軟塑狀粉質粘土，且粉質粘土層下是砂巖時。建議管道采用強風化砂巖作為地基持力層，同時應注意防沖刷處理，管槽開挖時應注意河岸邊坡的穩定性，必要時可設置支擋結構對河岸邊坡進行支擋。③管道穿越河流，河底有基巖裸露時，管道可埋置于河底的砂巖中，放坡開挖的比例可采用1:0.5~1:1.0，且管道的埋深要大于河流的沖刷深度。

(3)溝槽開挖

溝槽開挖時應按照設計文件規定的線路位置和坡度，同時應符合施工驗收規范的要求，溝壁的坡度根據現場土質條件確定（必要時可采取溝槽支撐）。

本工程除素砼包封與架空外，管道基礎根據規范要求設置砂墊層。本次設計基礎砂墊層厚度200mm。管道回填材料除基礎墊層外，其余材料盡量就地取材，采用破碎后的巖石，現場加工為符合相關規范要求的石屑回填，提高工程的經濟性。

2.9 管道試壓

管道在正式運行前需進行水壓試驗，以保證管道后期能進行正常運行。

管道試壓需待最后一個焊接接口完畢一個小時以上方可進行，長度不宜大于1km。試壓前需清除管道內的雜物，從下游向管道內緩慢注水，同時打開排氣閥，以排除管道內的氣體。

不同管材的試驗壓力均不一樣，與管材的類型及工作壓力P有關。若工程采用兩種或兩種以上管材時，宜根據不同管材的試驗要求分別進行試驗。本工程全部采用鋼管，其試驗壓力應為P+0.5 MPa，且試驗壓力不得小于0.9MPa。若輸水管道為球墨鑄鐵管，當其工作壓力P≤0.5 MPa時，其試驗壓力為2P，當工作壓力P >0.5 MPa時，其試驗壓力應為P+0.5。若輸水管道為化學建材管，工作壓力P≥0.1 MPa，其試驗壓力應為1.5P，且不小于0.8 MPa。

2.10 輸水管道運行

管道施工完畢后進行初次運行時應注意，為防止管道產生水錘現象，管道的進水閥門不宜開啟過快，減小開啟度，若閥門開啟速度過快，開啟度過大，管道進水的速度太快，原管道內的空氣來不及排空，會局部形成較大的氣水壓，造成水錘現象，容易爆管。管道首次充水時可同時開啟管道的排氣閥，管內注滿水后方可將進水控制閥門全部開啟[4]。

2.11 其他

為保證管道系統能正常運行，避免遭受意外破壞，在必要的位置可設置標識標牌，起到提醒作用。管道上的附屬設施在滿足其功能的前提下盡量安裝在容易操作的位置，法蘭等零件需盡量設置在檢查井內，避免直接埋在土中，以免銹蝕，影響使用壽命以及管道的正常運行。

3 結語

本文以某一備用水源輸水管道為例，闡述了輸水管道中需要涉及的相關設計內容。不同工程的實際情況不同，不能一概而論，設計人員需結合工程自身特點確定工程的最終設計方案，在設計過程中以嚴謹的態度進行科學設計。希望本文對其他類似工程的設計起到一定的借鑒作用。