长距离输水管道事故产生原因及对策分析

高 鹏

(辽宁水利土木工程咨询有限公司， 辽宁 沈阳 110000)



长距离输水管道事故产生原因及对策分析

高 鹏

(辽宁水利土木工程咨询有限公司， 辽宁 沈阳 110000)

本文就当前长距离输水管道事故发生的原因进行全面总结，深层次地探讨事故产生的原因，并有针对性地提出降低长距离输水管道事故发生的对策。

长距离输水管道; 事故; 原因与对策

1 引 言

随着水资源的紧缺和分布不均，输水距离变得越来越远，跨地区、跨流域、高扬程、大流量输水逐渐成为供水行业普遍的现象。但是由于输水路径长、输水管径大、地质复杂等原因，长距离输水管道常常发生漏损、爆裂等事故，如何降低和控制长距离输水管道事故发生成为供水行业关注的焦点。

2 长距离输水管道事故原因分析

2.1 管材方面

灰铸铁管是当前大多数长距离输水所采用的管道，由于其铸管工艺是以连续浇铸的方式进行生产，生产出的铸铁管在投产运行时达不到工程设计和使用标准，常发生管道断裂、漏损等现象[1]。究其原因是连续铸管工艺在拉管脱模过程中，采用激冷凝固的方式。虽然该种方式具有产量高、成本低、工艺简单等优点，但也存在着一些不可忽视的缺陷。首先是缺乏相关退火工序，致使管壁温度应力无法消除，在管道表面形成过冷石墨层，在具体使用过程中表现为抗震性不强、冲击力弱、抗拉抗弯性低等特点。其次是拉管速度和铁水液面高度采用人工控制，致使管道组织不一致，管道内部出现许多小穴，在具体使用过程中表现为承载能力低。再次是管体易出现黑渣、重皮、气孔等铸造缺陷。一旦这些铸造缺陷出现在应力较大的部位，当最大应力达到强度极限时，则表现为管身在此处断裂。

2.2 接口方面

首先表现为接口刚性太强，随着输水管道的长期运行，由于地基、土质的变化以及人为因素的干扰，常常使管道发生不均匀沉降，如果管道接口刚性太强，则常常在管道中间区域发生破裂。其次是接口施工太差，在输水管道接口施工过程中，如果接口处周围水泥夯实不结实，油麻填塞不均匀，输水管道在运行期间势必在接口处会出现漏水现象。

2.3 施工方面

在具体施工过程中，未能按照要求夯实管道两旁的覆土，特别是对于长距离大管径管道，管道破裂的可能性大大增强；管道埋设基础较差，未能对埋设过程中出现的硬物、石块等进行清理，或者铺设管线的地质较为松软，造成管道局部应力集中，一旦应力集中过大，则会在该部位发生破损；对于一些大口径丁字、弯头管道，如果未能设计支墩或设置支墩后座土坡松动，将大大增加管道位移的可能性；在管道焊接时，未能及时对管道焊缝中的气孔、尖渣等情况处理，焊接质量也直接影响管道事故发生[2]。

2.4 腐蚀问题

随着时间的推移，管道在土壤中常常发生细菌和电化学方面的腐蚀，管道将局部发生生锈、脆化、开裂、穿孔，甚至出现爆裂等现象。例如，铁细菌排出的氢氧化铁，有时能够堵塞水管过水截面。

2.5 水击现象

水击是指由于外界因素，管道中的水流状态突然发生变化，进而导致水压发生剧烈波动而引起的现象。当水击波周期大于水流突变的时间，这种水击称为直接水击；反之，则称为间接水击。通常情况下，长距离输水管道水击是直接水击。直接水击所产生的压强:

而

式中α——水击波的传播速度，m/s；

α0——水中声波的传播速度，m/s；

P——水的密度，N/m2；

R0——水击前的水流速度，m/s；

R——水击后的水流速度，m/s；

E——管壁的弹性模量，Pa；

E0——水的弹性模量，Pa；

δ——管壁厚度，mm；

D——管径，m。

由此可得如下结论：对于同一种管材而言，管壁越薄，管径越大，则水击压强越小，反之，则水击压强越大。

值得一提的是，通过上述公式计算所得的水击压强值要比实际产生的小，这是因为实际还存在管道气蚀和摩阻的影响。在这种水击现象下，管道将会发生变形，甚至会出现破裂现象。特别是在多波源水击波共振的情形下，水击压强产生的破坏效果将更加严重。

2.6 内外荷载

随着城市建设的发展，人们对于输水管道总体水压的要求越来越高，进而对管道产生的压力也就越来越大，因此，管道事故发生的概率也就大幅度增加。同时，一些管道埋设深度太浅，加之重型机械的碾压和车辆运输频率的增加，这种情况的存在致使管道的动荷载增加。此外，由于各种管道的新建和升级改造，管道与管道之间原有外力荷载将发生变化，从而导致在管道接口处发生漏水、爆裂等现象。

2.7 低温

冬季是长距离输水管道常发事故的季节，究其原因是冰冻荷载和温差应力的存在。其中冰冻荷载是指在温度低于0℃时，将会发生土颗粒冻结和析冰作用，土壤的体积将会冻胀，从而对管道产生较大的冻胀力，并且冻胀力与温度之间呈现出反比例关系，与冰冻层厚呈现正比例关系。而温差应力亦称温变压力，是指随着温度的变化，管壁上所产生的轴向应力。当天气变冷时，这种温差应力表现为向拉应力；当天气变暖时，这种温差应力表现为向压应力。随着管道周围温度的变化，这两种应力也在不断变化，从而导致由于疲劳破坏而发生断裂破坏。

2.8 其他工程的影响

管道正常运行后，不可避免地受到一些拔桩、堆土、开挖管渠等工程施工的影响[3]。具体变现为在管道附近打桩时，由于振动及挤压土壤的影响，易使偏桩的另一侧和管道上侧方向凸起，从而损坏管道；在拔桩时，则会在相反的方向上损坏管道；在降低埋设管道附近地下水位时，管道将不同程度产生不均匀沉降，从而损坏管道接口；在埋设管道附近开挖深沟时，会使管道底部发生向下位移，从而对管道产生破坏。

3 降低长距离输水管道事故发生的策略

3.1 合理选择管道材料

逐渐淘汰连续浇铸铸铁管，选择一些内壁粗糙系数低、安全可靠性高、使用寿命长的管道材质。对于管径要求在75～150mm的管道，应采用球墨铸铁管或PVC、PE材质的管道；对于管径要求在200～1500mm的管道，应采用玻璃纤维增强管、预应力混凝土管或者球墨铸铁管；对于管径要求超过1500mm的管道，应采用钢管、薄壁钢筒预应力混凝土管。

3.2 采用柔性接口

石棉水泥接口刚性强，在温差应力、不均匀沉降的情况下，管径较大管道容易发生承口豁裂，管径较小管道容易产生环向裂缝，所以，应采用柔性接口。例如，橡胶圈式的柔性接口可以有效避免不均匀沉降、温差应力所产生的各种不利应力[4]。

3.3 加强施工技术管理

在施工过程中，首先采用黏土或砂对管底地基进行平整，避免一些石块、钢筋等坚硬物质对管道构成集中荷载。其次在设置阀门等配件时，最大限度地使管道与基础的沉降量相互接近，砌阀门井时为了防止沉陷不同对管道的损坏，应在管道旁留有空隙。再次，对于管道覆土应注意密实度要一致，并且管道附近不能有坚硬物质。最后，对于较大管径管道的弯头，应设置一些支墩防止管道移动，支墩背后的土应用取原土，并在水压试验时，密切关注相关接口和支墩的移动情况。

3.4 强化管道防腐措施

通常情况下，金属管道的防腐对于管道输送能力和使用寿命起着重要作用。一是实施管壁保护涂层。对于球墨铸铁管和一般铸铁管管壁应采用环氧媒沥青或沥青涂料，对于钢管应采用环氧媒沥青和玻璃纤维布进行四油三布或三油二布保护。然而，在现实生活中，并不是所有的土壤腐蚀条件都相同，因此，应根据不同的土壤条件实施不同的防腐措施。二是实施阴极保护。按照腐蚀电池原理，将金属管变成为阴极就可以达到防止腐蚀的目的。根据所采用方法的不同，可分为牺牲阳极法和外加电流法两种方法，其两种方法之间的优缺点见右表。

值得一提的是，应根据土壤环境、运行管理等实际情况合理选择牺牲阳极法与外加电流法，经过表中两种方法的分析比较，长距离输水管道在无可靠交流电源,市区内的管线地段采用牺牲阳极法，在其他管线地段采用强制电流法，并且设置阴极保护站。

3.5 合理控制输水管道水压

水压过高势必会增加长距离输水管道事故发生的概率。因此，在保证水量、水压和水质的基础上，通过装置泄压水池、调整泵的运行等方法降低长距离输水管道供水压力，减少管道漏损水量。

3.6 注重输水管道设施配备和日常维护

因地制宜，在长距离输水管道中应设置水击消除器、排气阀等设施；在泵房按照要求设置关闭止回阀；在充水时需打开消火栓、排气阀。并注重管道的日常养护管理、检修等工作，确保管道排气通畅，在启用阀门和泵时能够按照要求严格执行。

4 结 语

综上所述，引发长距离输水管道事故发生的因素是多方面的。因此，在对管材、接口、施工质量严格把关的前提下，提前预防非恒定水流所引起的水压、水击等现象。只有这样，才能降低长距离输水管道运行中管道发生的渗透、爆破等事故。

[1] 李助惠.长距离管道输水工程几个问题硏究[D].银川:宁夏大学，2015.

[2] 练继患,穆样鹏,赵新.输水工程水力特性与控制[M].北京:中国水利水电出版社,2012.

[3] 黄国涛.长距离输水管道事故分析[J].工程与建设，2015(1).

[4] 杨志峰.杭州萧山长距离大口径输水管道设计总结[J].给水排水,2012(4).

Analysis on accident reasons and countermeasures of long-distance water conveyance pipeline accident

GAO Peng

(Liaoning Civil and Hydraulic Engineering Consulting Co., Ltd., Shenyang 110000, China)

In the paper, the reasons of current long-distance water conveyance pipeline accident are comprehensively summarized. Accident reasons are deeply discussed. The lowering accidents countermeasures of long-distance water conveyance pipeline are proposed in a targeted mode.

long-distance water conveyance pipeline; accident; causes and countermeasures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.016

TV672+.2

A

1005-4774(2016)12- 0061- 03