南水北调中线供水配套工程管道设计重难点研究

王全锋 杨璐 马会珍 高小涛

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

南水北调中线供水配套工程管道设计重难点研究

王全锋 杨璐 马会珍 高小涛

（黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450003）

供水配套工程是指南水北调中线总干渠沿线分水口门到各受水城市水厂之间的输水工程，上接总干渠，下连城市水厂，担负着承上启下的输水任务。以河南省受水区某市供水配套工程的设计和运行实践经验为例，从输水线路布置、输水管材选择和水锤防护措施等方面对南水北调中线供水配套工程管道设计进行探讨。

供水配套工程；输水线路布置；输水管材选择；水锤防护措施

1 工程概况

河南省受水区供水配套工程主要向南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、濮阳和安阳等11座省辖市区和所属的7个县级市、25个县城及禹州神垕镇、邓州移民安置区、南阳龙神工业园区等48个供水目标区提供生活和工业用水。在总干渠主体工程完成的前提下，总干渠分水口至城市自来水厂入口之间的配套工程和城市水厂及管网工程的设计施工则至关重要，直接关系着整个项目的目标实现，是工程发挥效益的重要环节。

河南省某市供水配套工程年分配水量1.19亿m3，管道设计流量为6m3/s，输水方式为重力流输水，主管道长度约46.91km，为DN2600 PCCP管道，终点为该市规划水厂；有1条引黄调节池支线，管道长度8.23km，为DN2400 PCCP管道。

2 设计重难点

2.1 输水线路布置的原则

①符合城市总体规划和供水规划，满足近期开发需要且符合远期规划，结合城镇化发展的速度、减少拆迁和节省投资等综合考虑；尽量沿现状及规划道路铺设，减少与当前建筑物、管线和电缆等地交叉，减少对农田和植被的破坏，防止水土流失。

②要充分利用地形优势，优先考虑重力流输水，或部分重力流输水；要根据输水方案、地形条件、管道根数，对不同的工况进行技术分析比较，选择安全可靠的输水方式。

③尽量平直，减少急转弯，以减少水力损失；根据管道允许调整角度要求布置，减少镇墩数量；控制工程规模，降低工程造价。

④穿越段尽量采取垂直穿越；穿越河流时，管道埋深必须考虑河流的洪水冲刷线；穿越大型道路时，在不影响现有道路正常运行的前提下，尽量采用顶管或箱涵穿越。

⑤管道埋深需结合当地冻土深度、敷设位置和荷载等综合确定。针对本工程，在耕地内敷设的管线，管顶覆土不小于1.5m，在城区及荷载较大段，管顶覆土不小于2.0 m。

⑥与交叉建筑物之间的净距应满足《城市工程管线综合规划规范》（GB50289-2016）［1］的要求，局部管段不满足规范要求时，应采用安全的施工工艺措施。

2.2 输水管材选择

管材的选择一般要考虑工程的规模及重要性、管道的工作压力、输水距离的长短、工程的进度及工程所在地的地形、地貌、地质情况，当地管材的生产状况，应用管材的习惯，能源价格，进行技术、经济、安全等方面的综合比较后确定。目前，供水管材有多种，对于大管径的管材，大都在钢管（SP）、预应力钢筋混凝土管（PCP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢夹砂管（GRP）和球墨铸铁管（DIP）中选择，各种管材都有其优缺点。

2.2.1 钢管（SP）。钢管的优点是：管材强度较高，承受压力大，对地形的适应性强，糙率低，糙率系数n= 0.01～0.011；水头损失较小，单位管长重量较轻，钢管的密封性好，对地基不均匀沉降适应能力强，适用于地形复杂地段。

钢管的缺点是：刚度小，大口径管极易变形；抗腐蚀性差，易生锈，水质容易受到污染；给水管道需增加内、外防腐；防腐层易老化，耐久性差；现场施工安装时对口焊接工作量大，焊接后的补口质量较难保证；管道重量轻，抗震动性能差，易拉裂，管径加大，性价比降低。

2.2.2 预应力钢筋混凝土管（PCP）。PCP管的优点是：加工工艺简单，造价低，具有良好的抗渗性和耐久性，施工速度快，安装方便，管内壁光滑，不结垢，水力条件好，输水能力强，耐腐蚀，不需做内外防腐处理。

PCP管的缺点是：材质重且脆，运输不方便，承插接口的加工精度难以保证，接头复杂，维修不便，有些管道管体中存在空鼓或裂缝，容易引起渗漏；PCP管管径和工作压力使用范围小，其管径一般在DN2000以下，工作压力范围在0.4～1.0MPa，与其他管材相比糙率大。

2.2.3 预应力钢筒混凝土管（PCCP）。PCCP管的优点是：PCCP是一种钢筒、钢丝与混凝土构成的复合管材，集中了钢管和预应力钢筋混凝土管的优点，具有管径使用范围大、承受工压高、高抗渗的性能（管径为DN400～DN4000，工作压力为0.4～2.0MPa，最高内压可达2.5MPa）。管壁厚，刚度大，抗震能力强，混凝土结构，耐腐蚀性能好；管子接口加工精度高，采用双橡胶圈，密封性能好，承插式安装，方便快捷，维修费用低；在每根管插口的密封圈之间留有打压孔，接头打压检验简单方便，可以边安装边打压，管道重量大，抗震动性能好。

PCCP的缺点是：对钢丝质量要求高，保护层比较薄（25mm），管道重运输不方便。

2.2.4 玻璃钢夹砂管（GRP）。GRP管的优点是：强度高，密封性好，摩阻系数小，重量轻，比重仅为钢、铸铁管的1/4～1/5，混凝土的2/3；施工运输方便，易于安装；单根管道长度长，管道接头少，设计灵活，产品适应性强；耐腐性能好，使用寿命长，无毒害、无二次污染，无电腐蚀之虑，可直接埋设于酸性或碱性土壤中，无需保护，玻璃钢管的连接也采用承插式，并设置胶圈止水，安装方便。

GRP管的缺点是：由于管内采用夹砂，管道质地脆性增加，抗外压能力较差，导致管道受外压后接头渗漏；对管道基础处理和回填土要求较高，增加施工难度，且管径一般不超过DN2000。

2.2.5 球墨铸铁管（DIP）。球墨铸铁管的优点：综合了钢管柔性和铸铁管耐腐蚀性的优点，强度和延伸率比钢管均有提高，使用寿命更长；管道抗渗性更好，采用承插安装，橡胶圈密封，施工方便，降低工程安装费用的同时，也提高了对不良地基的适宜性。

球墨铸铁管的缺点是：管道重量轻，抗震动性能差，内衬水泥砂浆层易裂缝空鼓，单位长度造价比高，尤其是当管径大于DN1200时，性价比开始降低；管径增大，制造难度加大，管材价格增加明显。

考虑到本工程为长距离大管径供水，故选取PCCP管、钢管和球墨铸铁管进行详细对比，详见表1。

输水管材选择原则为：在保证供水安全的前提下，采用投资成本低、漏损率低、安全性能好、维修方便的管材。本工程为供水压力1.0MPa的重力流输水，输水线路周边地质条件较好，不存在坚硬和散落岩石。综合考虑，本工程输水管材推荐采用PCCP管，在穿河、过路等特殊地段采用钢管。

2.3 水锤防护措施

合理计算水锤值，对保证工程安全与正常运行、优化管道设计、节省工程投资等都有重要意义。根据水锤防护措施选取原则，即技术上安全可靠、经济上合理、管理上方便，结合分水口门输水系统运行工况复杂的实际情况，通过计算机数值解法对水锤进行复核计算，本工程主要采取以下水锤防护措施。

2.3.1 合理布置输水线路。输水线路的确定对整个工程建设的影响至关重要，在选择线路时，要充分考虑地质地形条件、施工条件、工程投资、工程运行管理等，并根据情况的动态变化进一步优化线路。

2.3.2 合理选择阀门形式。为了满足管线系统在启动、检修和正常运行过程中的进排气要求，按照《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS 193:2005）要求，按间距0.8～1.0km设置具有高速进气和排气的复合式进排气阀，在特殊位置适当加密［2］。对于管线末端接入出水池或水厂恒定流和压力水头的要求，通过设置活塞式调流调压阀来满足。

表1 不同管材技术经济比较表

2.3.3 延长阀门启闭时间。各支线单独关阀结论：为满足各管段的压力控制标准，在干线分水口门调节水池为最高水位，所有支线水厂正常运行工况下，当支线需要停水时，其他支线阀门可以较快速关闭，规划水厂单独关闭阀门时，水厂阀门关闭时间应大于390s；引黄调节池支线单独关闭阀门时，水厂阀门关闭时间应大于310s。

各支线同时关阀结论：对于同时关阀工况，为满足各管段的压力控制标准。规划水厂支线运行工况，水厂阀门关闭时间应不小于699s。引黄调节池支线运行工况，规划水厂阀门关闭时间应不小于633s。

2.3.4 设置单向调压塔。针对爆管工况，对整个输水系统进行了详细研究，目标是各支线在爆管时要尽量保证主管道的安全以及其他支线正常运行。经水锤计算分析后，在引黄调节池支线分叉口后增加1座单向调压塔，截面直径为5.5m，顶部高程为64.2m；当规划水厂支线或引黄调节池支线发生爆管事故时，建议支线首部阀门以斜率1/900s一段直线规律关闭。

3 结论

①本工程已于2014年通水调试成功，到目前为止，输水系统运行稳定，为该市提供了水质更优的丹江口水库水，使其成为河南省南水北调中线供水配套工程的直接受益者。

②本工程属于典型的长距离输水工程，具有管线长、流量大、管径大和扬程小等特点，整个输水系统运行复杂，通过工程实践验证，水锤防护措施是安全有效的，可以作为典型工程进行分析交流。

③南水北调中线配套供水工程涉及范围较广，运行调度管理非常复杂；分配水量为远期规模，近期接纳能力有限，加之调蓄、应急设施不足，使部分管道没有在设计正常工况运行。因此，需要在后续配套工程实施方案中明确各城市应急调蓄供水设施规模，应急时各类用水的优先次序及统一调度计划，从而为各受水地区供水配套工程的实施提供技术支持。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50289-2016，城市工程管线综合规划规范［S］.北京：中国标准出版社，2016.

［2］中国市政工程东北设计研究院，长安大学.CECS193-2005，城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程［S］.北京：中国计划出版社，2006.

Research on the Difficulties in Pipeline Design of Water Supply Project in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

Wang QuanfengYang LuMa HuizhenGao Xiaotao
（Yellow River Survey Planning and Design Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

The water supply supporting project is the water diversion project between the main channel of the middle route of the middle route of the South-to-North Water Diversion Project and the water supply plant in each water re⁃ceiving city.On the main canal,the city water plant is under the water supply task.In Henan province by the water⁃front city water supply supporting engineering design and operation experience as an example,from the aspects of wa⁃ter conveyance line layout,pipe material selection and water hammer protection measures of South-to-North water supply pipeline supporting engineering design are discussed

water supply matching project；layout of water delivery line；selection of water delivery pipe；water ham⁃mer protection measures

TV68

A

1003-5168（2017）08-0104-03

2017-07-01

王全锋（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：供水、排水、海绵城市建设方向的工程设计和科研工作。