试探长距离输水管道设计若干问题

黄绍锋

【摘 要】随着水利部全面解决农村饮水安全问题目标的提出以及各地区国民经济的发展，城市建设规模不断扩大，工业建设速度迅速加快，人民生活水平也随之相应提高，城市工业和生活用水量急剧增加，城市用水的紧张状况日益严重。故不少城市、工矿企业及农村饮水不得不到数十公里甚至数百公里以外寻找能满足水量、水质要求的新水源，因而长距离输水工程也逐渐增多。在长距离输水管道设计时存在诸多要解决的问题，下面就此阐述几点看法。

【关键词】长距离；输水管道；设计

一、管材选择

长距离输水管道首先要考虑投资的收益率，受复杂地形的限制并且需要满足各种运行工况。这就要求选择的管材有较高的可靠性和较好的经济性，根据国内外很多工程的了解对比，最近一段时期长距离输水管道工程采用较多的管道有钢管、预应力钢筒混凝土管、球墨铸铁管、夹砂玻璃钢管等非金属管材。

1、钢管

糙率一般为0.011-0.014。优点：管道衔接型式较多可采用承插、法兰、焊接；可在复杂地形、高内压及不同管材连接处使用；抗内外压能力较强；有较可靠的供水能力。缺点：需要进行防腐处理；使用年限较短一般为25年；并且价格较高。

2、预应力钢筋混凝土管（PCCP）

管道单节长度一般为5-6m，糙率一般为0.0115-0.0125。优点：管道接头密封采用承插口，双胶圈，抗渗好；一般不需要防腐；抗内外压较好；使用年限较长大于50年；有较可靠的供水能力。缺点：管道接头密封处容易脱落；管件与接口处容易生锈；多在管径大于1.2m时使用，口径小于DN1200mm时价格相对较高。

3、球墨铸铁管（DIP）

管道单节长度一般为6-8.15m，糙率一般为0.011。优点：管道采用柔性接口抗沉陷能力较强；接头密封采用承插口，单胶圈，抗渗好；抗内外压较好；防腐比较简单；使用年限一般为30-40年；有较可靠的供水能力。缺点：多在管径小于1.2m时使用，口径大于DN1200mm时价格相对较高。

4、夹砂玻璃钢管（FRPM）

管道单节长度一般为6-12m，糙率一般为0.009。优点：管道密封分柔性、刚性接头，抗渗性较好；糙率系数较小；防腐能力较强；比较环保满足各种水质要求；使用年限较长一般为50年；管径较小且压力不大时，有价格优势。缺点：抗内外压能力都一般；对管道基础及两侧回填土要求都比较高；管材比较脆弱。

二、水力计算

管径的选择可以通过Q=AV来初选管径，然后根據水力计算优化管径。在水力计算时，一般是按照均匀流计算，普遍采用的公式有：

（1）Darcy公式：hf= λlv22gd

（2）Chezy公式：V= CRJ

（3）Hazen-Williams公式： hf=10.67Q1.852l C1.852hd4.87

式中：hf――沿程水头损失（m）；λ――沿程阻力系数；l――管道长度；d――管道计算内径（m）；g――重力加速度（m/s2）；C――谢才系数（m1/2/s）；J――水力坡降；R――水力半径；Q――管道流量（m3/s）；V――流速（m/s）；Ch――海曾？威廉系数。

上述三式中（1）、（2）式不仅适用于管道流，同时也适用于明渠的水力计算。（3）式的计算参数较少，是一个广泛应用于管网计算的传统公式。上述三式与管道内壁粗糙程度相关的系数军事影响计算结果的重要参数。

笔者根据近几年长距离输水管道的设计计算，（1）、（3）是应用较多，通过与实际过流能力及水损实测情况比较，（1）式在采用Colebrook-White公式计算出的λ值与商用圆管的阻力吻合最好。

三、长距离输水管道管径的选择

1、长距离输水管道投资占输水工程的绝大比重，管径增大，管道一次性投资增大，管路阻力减小，可降低电耗量与年运行费用，相反管径减小，可降低管道一次性投资，但管路阻力增大，年耗电量及年运行费增加。因此如何确定一个合理的管径，是长距离输水管道设计中的一项十分重要的工作。

2、确定经济管径的方法可采用费用现值最小法。假设不同的管径，计算出管道的一次性投资，然后根据供水流量、管长、管径、管材计算净扬程，再由净扬程、流量等计算装机容量，从而计算年运行费，按费率和年限折现，求出费用现值，其中最小费用现值对应的管径即为经济管径。

3、现以下列实例计算如下：供水流量500m3/h，全年供水，单根管道，输水距离分别为5Km、10Km及15Km，进出口水头差及出口压力值共计0.15MPa，管材为球墨铸铁管，糙率系数n=0.013，折现率i=6%，折现年限N=30a，折现系数13.76。

4、管径为经济管径。通过上表的计算分析，不仅可选择其经济管径，并随输水距离增长和管径减少，费用现值增长较快。因此长距离输水管道宜根据工作压力选择较大管径，减少管路阻力，降低年运行费，使费用现值最小。

四、管线纵横断面设计

1、管线布置

管线布置原则：

①线路尽量选择直线减少转弯，尽可能的缩短管道长度，尽量少穿河道及道路等障碍物，以便节省投资方便施工。若实在避不开必须保证管道上有足够的覆盖层。

②尽量减少管道的高低起伏，可减少排气阀的设置，保证管道更稳定可靠的运行。

③尽量避开不良地质构造区，尽量沿道路布置，可利用原有道路，更快更好的施工。

④尽量避开城区及人口密集区，减少拆迁及少占农田，避开自然保护区，保护生态环境。

⑤当管线穿越铁路及公路时其设计必须符合相关行业标准，并经所属部门审批后在保证交叉建筑物安全的前提下方可施工。

2、沟槽开挖及管道埋深

管道的开挖最小宽度必须满足管道的铺设安装要求，线路尽量选择挖方断面，少采用填方断面，在参考国内外很多工程中发现管道在填方断面段容易出现不均匀沉陷等问题，情节较轻时，管道会出现渗漏现象，情节严重时，会造成管道断裂，影响工程正常供水。

管道的埋设深度，应根据冰冻情况、外部荷载、管材强度及与其他管道交叉等因素确定。管道的埋深一般不小于1.5m。为保证供水管线稳定可靠的正常运行，将引水管线埋置于冰冻线以下，确定管线的管顶覆土厚度为：在穿越一般道路、村庄、台地、苗圃、耕地时不小于1.5m，其余管段管顶覆土深度根据设计要求确定。

3、地基处理与管道敷设

沟槽开挖后，根据不同的地质情况，可分别采用夯实、换填、砂桩、搅拌桩等处理方式进行不良地基处理。管道在遇见湿陷性黄土地基段时宜采用换基处理，换填基础采用3：7灰土较多，压实度要求不小于95%。

管道敷设安装完毕后，首先用回填材料将管道两侧拱腋下均匀回填，然后管子两侧同时进行对称分层夯实，根据所用管材的性质，回填至可打压埋深，同时支墩强度要求满足设计规定或《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008相关规定。然后进行打压试验，试验满足规范要求时，才能回填至地面高程。

结束语

在长距离输水管道设计中，管道投资占输水工程的绝大比重，正确选择管道路由、合适的管材，对长距离调水工程设计的经济合理性具有至关重要的意义。

参考文献：

[1]《给水钢丝网骨架塑料（聚乙烯）复合管管道工程技术规程》CECS181-2005

[2]《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008