长距离尾水导流工程管道设计方案技术经济分析

魏 峰

（江苏省新沂市水利局，江苏 徐州 221400）

1 工程概况

南水北调新沂市尾水导流工程，是保障南水北调水质安全的一项重要工程。工程建设任务主要是：兴建南水北调新沂市尾水导流工程，使城南污水处理厂尾水通过尾水通道排入新沂河尾水通道顺利入海，避免尾水进入骆马湖、王庄闸以上总沭河、新墨河，并且为新沂河尾水通道工程实施奠定基础。南水北调新沂市尾水导流工程设计流量为1.61 m3/s，工程建设范围：自新沂市城南污水处理厂新建DN1200 双排管道沿新墨河、总沭河和总沭河以西农田至新沂河，单排管道全长26618 m。

2 管道设计方案比选

2.1 管材比选

本工程主要任务为采用封闭管道有压长距离输送尾水，设计中，考虑了经常使用的4 种管材：预应力钢筒混凝土管（PCCP）、钢管、预应力钢筋混凝土管道、玻璃钢管。

从近几年国内兴建的大型输水工程来看，所用管材多为预应力钢筒混凝土管、钢管、预应力钢筋混凝土管道等。一些重大而紧迫的工程倾向于使用钢管作为输水管道，但钢管的防腐处理比较麻烦，长距离管道的防腐质量难以得到保证，这便影响了钢管的使用寿命。

预应力钢筒混凝土管（PCCP）具有复合结构合理、承受内外压较高、接头密封性好、抗震能力强、施工方便快捷、防腐性能好、维护方便等特性，受到工程界普遍关注，并广泛应用于长距离输水干线、压力倒虹吸、城市供水、压力排污干管等工程中。但预应力钢筒混凝土管（PCCP）目前市场价格比预应力钢筋混凝土管道、玻璃钢管高很多，与同规格的玻璃钢管相比，价格要高出约1000 元/m。我国引用预应力钢筒混凝土管（PCCP）的水利工程有：山西万家寨引黄工程、深圳东部引水工程、哈尔滨磨盘山引水工程等大型重大供水工程。

预应力混凝土管按其生产工艺分两种：一种是一阶段管，即一次成型；另一种是三阶段管。预应力混凝土管因加工工艺简单，造价最低，但管材生产过程中存在弊病，如：三阶段喷浆质量不稳定，易脱落和起鼓；一阶段管在施加予应力时不易控制，造成质量不稳定、不均一，使管材存在空鼓、环裂、应力难以控制和承口圆度差等工艺缺陷。这些缺陷将会导致预应力钢筋混凝土管在运行过程中出现爆管、渗漏等常见病。另外，由于重量大、运输安装不方便，使得预应力混凝土管应用受到了限制，但该管道为最经济的管材，应根据输水重要性适当选用。

玻璃钢管材的比重约为钢的1/4，但比钢、铸铁和塑料的强度高，且物理力学性能优异，其膨胀系数与钢大体相当，而热传导系数只有钢的0.5%，是一种很好的热和电的绝缘体。玻璃钢管耐化学腐蚀，使用寿命长，适合输送各种酸、碱、盐及有机溶剂等不同介质。其水力特性优异，即意味着流体压头损失小，可以选用较小的管径或功率较小的输送泵，从而减少管线工程初期投资、节省电能、降低运行成本。玻璃钢内表面光滑，一般表面粗糙率可取0.009，几乎可以认为是“水力光滑管”，在运行中，钢管、铸铁管、水泥管等的内表面经常会因发生局部腐蚀变得越来越粗糙，而玻璃钢管却能始终保持着新生管的表面光滑状态。玻璃钢管的安装、维护费用低，一般来说，玻璃钢管不需要防腐处理；保温层可以减薄，甚至可不另做保温处理；管道比较轻，要求吊装设备吨位小，功率消耗小；玻璃钢管长度比水泥管及铸铁管长，接头相对减少。这些都会有效降低安装和维护费用，加快施工进度，且也已被国内外许多工程实践所证明。

玻璃钢管设计灵活性大，改型周期短。玻璃钢是用浸有树脂基的纤维增强材料，按照特定工艺条件逐层缠绕到芯模上并进行适当固化而制成的，其管壁是一种层状结构，可以通过改变树脂系统或采用不同的增强材料来调整玻璃钢管的各项物理和化学性能，以适应不同介质和工作条件，从而制成不同压力等级或具有某种特殊性能的玻璃钢管。改型周期短，是纤维缠绕复合材料的显著特点，各向同性的金属管材无法与其相比。

从安全角度来说，PCCP 管最好，其次是玻璃钢管、钢管、预应力钢筋混凝土管。从经济角度来说，预应力钢筋混凝土管道最经济，其次是玻璃钢管、预应力钢筋混凝土管、钢管。

综合考虑诸多因素，管材选用玻璃钢管道相对经济、安全。

2.2 管径、水力条件

长距离输水管道投资在输水工程占绝大比重，管径增大，管道一次性投资增大，在保证输水设计流量的情况下，管道流速减小，管道阻力减小，水力损失减小，可降低电耗量与年运行费用，如果水力损失可以满足自流的话，那就可节省大量的后期运行维护费用。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一项十分重要的工作。

新沂城南污水处理厂至新沂河尾水通道工程，全长26618 m（单根管道）。上游起点水位为26.26 m，下游终点新沂河水位为14.7 m。本次设计针对上下游水头差及水头损失等条件，进行了自排和抽排方案的比选。

2.2.1 自排方案

沿线管道采用双排DN1200 玻璃钢管道，管内流速0.716 m/s。水力计算从压力管道终点向上推算，依次计算沿程各段的局部损失水头及沿程损失水头，并推算至工程起点。

经计算，管道局部水头损失为0.60 m，沿程水头损失为7.18 m，总水头损失为7.78 m，考虑上下游各0.5 m 的安全水头，则可将计算损失放大到8.78 m，而上游设计水位为26.26 m，下游尾水通道设计水位为14.7 m，水位差为11.56 m，故采用双排DN1200 玻璃钢管道能满足自流输水的要求。

2.2.2 抽排方案

沿线管道采用单排DN1200 玻璃钢管道，管内流速1.424 m/s。

经计算，采用单根直径1.2 m 玻璃钢管道方案的管道局部水头损失为3.48 m，沿程水头损失为37.85 m，总水头损失为41.33 m，上下游水位差为11.56 m，需考虑通过新建泵站加压抽排。

2.2.3 工程投资

采用双排DN1200 玻璃钢管道，自流方案工程直接投资约为13594万元。

采用单排DN1200 玻璃钢管道，抽排方案工程直接投资约为12614万元。玻璃钢管道工程建筑工程投资6328万元，其中，泵站建筑工程投资600万元；考虑泵站电费、人员经费、工程管理经费（办公费）、机电设备维护费、其它运行费用，泵站工程年运行总费用为603万元，按泵站工程30年使用年限计算，折现系数取0.1，30年折现运行费用为5686万元。

2.2.4 方案选用

本工程设计流量为1.61 m3/s，但目前实际尾水排放约为8万t/d，流量约为0.81 m3/s。

采用抽排方案虽然投资略省，但没有考虑到近、远期的排尾水需求，运行中对管道无法进行检修，而且电价上涨、人工工资提高等许多不确定因素会导致后期年运行费用不断增加。

采用自排方案，在现有排放流量的情况下，可以使用单排管道排放，管道内流速在设计流量条件下满足规范要求。与单排管道方案相比，双排管道方案不仅可以兼顾近、远期的排尾水需求，而且在一条管道检修时，另一条管道仍可排放污水。故从运行角度看，该方案更为合理。

3 结语

南水北调新沂市尾水导流工程，是保障南水北调水质安全的一项重要工程。目前，本工程已基本实施完成，其输水距离长，质量要求高。设计人员在设计过程中，从管材的选择、管径、水力条件及管道运用方式等方面进行技术及经济分析，针对本工程特点，选用目前已广泛采用的玻璃钢管材作为输水管道，并考虑近远期的排尾水要求，采用了重力流自排方案，既节省了工程投资，又缩短了施工工期，综合效益明显，对类似工程的设计有借鉴作用。