文峪河百金堡园区供水工程管线设计中的几点体会

庞月珍

（文峪河水利管理局 文水 032100）

文峪河百金堡园区供水工程属于自压输水管道供水工程。为解决入驻文水县的多个企业用水紧张的问题，兴建了此项工程。该工程设计年供水量1 500万t。输水管道全长5.6 km,管道直径800 mm和600 mm，进口在文峪河永田渠16+987处,出口分别在园区成员企业厂区内,进出口高差为37.048 m。

2009年通水以来，项目工程运行良好。该工程的特点是输水压力大，管线高差大，因而搞好前期设计工作对于管道的安全运行及今后的管理维护是十分重要和必要的。

1 非低压输水管道的工作特点

（1）地形复杂:对于自压输水管道工程来说,地形条件都比较复杂,管线有升有降、起伏不平。

（2）工作压力大：非低压输水管道的工作压力超过了0.2 MPa,本工程的工作压力达到了0.4 MPa,设计工作压力为0.6 MPa。

（3）管道附件多：根据运行和管线布置的要求，管路中需装设较多的附件。如本工程中共需安装排气阀16套，泄水阀9套；闸阀17套。

2 输水管线的选线遵循以下原则

（1）输水管线充分利用渠道水头与地面落差，采用有压重力式输水，以减少能耗，降低工程运行成本。

（2）输水管线布置尽量取直，减少转折，以减少水头损失及控制工程的规模，降低工程造价。

（3）输水管线尽量靠近现有道路或规划道路敷设，以方便施工和运行维护管理。

（4）尽量减少输水管线穿越公路及河道（沟渠），并注意尽量避开不良土质地带。

（5）输水管线布置时尽量避免穿越村庄和大片林地，以保护环境，方便群众生产生活，避免造成水土流失。

3 纵断的设计

（1）管道埋设深度确定。冰冻地区管道的管顶埋深须考虑土壤的冰冻深度及耕作要求，非冰冻地区管道的管顶埋深主要由外部荷载、管材强度及管道交叉等因素决定；为保证金属管体不因动荷载的冲击而降低强度，其管顶复土深度应不小于1.0～1.2 m。

（2）排气阀的设置。在管道运行过程中，水流会携带空气进入管道，为了及时排出管内空气，避免管内产生负压，沿管路必须设置气阀；为了保证每一个气阀能正常工作，必须使相邻两个气阀之间不出现最高点。本工程全线共12段，设置气阀16个。

（3）排水阀的设置。规范要求，在管线的最低点须安装排水阀，用以排除沉淀物以及检修时放空管内积水。本工程共设排水阀9套。

（4）镇墩的设置。镇墩的作用是连接两端管道（包括管道的弯头），使管道在离心力和斜管传来的荷载作用下维持稳定。镇墩可由浆砌石或混凝土做成，如果斜管坡度较大，每隔20～30 m要设镇墩一个，防止下滑。本管道工程共设置镇墩17个。

（5）管路附件的设置。长距离输水管道附件及转角较多，设计中选取的角度越少，对于管件的加工和安装越有利。其次采用同一角度对设计人员来讲也是非常方便的。

（6）阀门井的设置。根据输水管道流量调节、排气、排水及检修等需要，在管线适当位置安装各种阀门、仪表、分水三通及伸缩节等附件，并将这些附件集中安装于阀门井内，便于操作、检修和保护。本工程阀门井设方形和圆形两种共18座。

（7）管道的连接。输水管道采用玻璃钢管，弯管及分水三通采用钢管，玻璃钢管与钢管、阀门、分水三通之间的连接均采用法兰对接，玻璃钢管之间采取承插连接，双密封止水橡胶圈止水。

（8）管道的敷设。为不影响交通，管道穿越307国道和百金堡园区公路，采用DN1200钢顶管施工，兼作套管，其他地段均采取开槽敷设。

（9）纵坡比降的设计。为方便计算，选取纵坡比降时，应尽量采用整数坡降。比如1/30，1/50，1/100等，这对于推算每一个桩号的底高程非常有利。

4 管材选择

可用于长距离大口径输水管的管材有：钢管、钢筋混凝土管（PCP）、球墨铸铁管（DIP）及玻璃纤维增强塑料加砂管（RPMP）共四种管材进行比较，见表1。

表1 各种管材的综合造价比较

1）表1中，管径是在管道设计流量0.48 m3/s情况下，按水力学计算公式得出的。管道工作压力均按0.6 MPa计。

2）单位综合造价指标包括管沟开挖、砂垫层、管子铺设及回填的建筑工程费，不包括配套建筑物摊销，临时工程摊销，其他费用摊销等。

从表1可以看出，球墨铸铁管（DIP）和钢管的造价明显高于其它两种管材，本次设计不再考虑这两种管材。在此基础上，对玻璃钢管与预应力混凝土管的主要技术性能进行综合比较，见表2。

表2 玻璃钢管与预应力混凝土管的比较分析表

由表1、表2可知，玻璃钢管和预应力钢筋混凝土管综合单位费用基本相近。但玻璃钢管的管材技术特性明显比预应力钢筋混凝土管更具优势。近几年来，国内玻璃钢管道价格大幅下降，已有愈来愈多的工程使用了玻璃钢管。所以，本工程采用玻璃钢管为推荐材料。

5 管径的确定

在管道系统的布置（包括管道长度）和所需流量及水头已定的情况下，管径的选定需要通过技术经济的综合比较，应满足：①管网任意处工作压力的最大值应不大于该处材料的公称压力；②管道流速应不小于不淤流速（一般取0.5 m/s），不大于最大允许流速（通常限制在2.5～3.0 m/s）；③设计管径必须是已生产的管径规格。一般经济管径可由下式计算：

式中：d——玻璃钢管直径，m；

Q——计算管段的设计流量，m3/h；

ν——管道输水流速，m/s，本次设计采用3.5 m/s。

根据各企业用水需求的不同，本工程中管道设计输水流量分为两段，并据此计算出采用两种管径即0+000～4+091段采用800 mm，4+091～5+812段采用600 mm。

管道沿程水头损失按有压管道公式计算：

式中：hf—管道沿程水头损失，m；

f—沿程水头损失摩阻系数，取0.000915；

m—流量系数，取m=1.77；

d—管径，m；

b—管径系数，取b=4.77；

L—管道长度，L1=4 091 m，L2=1 721 m。

计算得管道沿程水头损失hf1=2.96 m，hf2=1.44 m，hf=2.96+1.44=4.40 m。

局部水头损失按沿程水头损失的10%计算，即 4.40 m×10%=0.440 m。

总水头损失为沿程水头损失与局部水头损失之和，即4.40 m+0.44 m=4.84 m。

所以，管道水流净水头为48.452-4.84=43.612 m，完全能够满足各用户引水入网的水头要求。

根据管道动水压力并考虑水锤后确定管道工作压力为0.6 MPa。

6 运行管理

非低压管道输水工程工作压力大，地形复杂，这不仅给设计增加了难度，而且在管理运行时也应特别注意以下几点：

（1）管道安装的各种阀门、仪表、法兰及伸缩节等设备，应确定专人定期检修。

（2）控制蝶阀如果开关时间过短，势必造成管道内水击压力上升，威胁到管道的安全。为了防止蝶阀在开关过程中造成管道内水击压力升高，必须通过延长蝶阀开、关时间减小管道内水击压力。排气阀发生振动或有特殊声音时，要立即检查修理。蝶阀操作时要注意慢开慢关，适当延长开关时间，以防止管道内水锤压力升高。

（3）定期巡查管道沿线，发现管道漏水、覆盖破坏或被占压等情况时，要及时处置，使管道及其附属设备保持良好运行状态。