长距离输水管道工程设计问题探讨

戴萍

（中机国际工程设计研究院华东分院，江苏 南京 210023）

长距离输水管道工程设计问题探讨

戴萍

（中机国际工程设计研究院华东分院，江苏 南京 210023）

以江苏某地长距离输水管道工程为例，说明了长距离输水管道工程在设计中需要解决的管径选择、管材确定和设计运行中必须考虑的安全防护技术。

长距离输水管道；管径；管材；安全防护

根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS193:2005），距离超过10km的用管道输送原水、清水的建设工程，即认为是长距离输水管道工程。本文以江苏某地的长距离输水管道工程为例，对长距离输水管道工程在设计中所需要解决的几类问题进行探讨。该地已有一根长距离输水管道服务于现状水厂，管径为DN1400，管材为PCCP管，管道长度约15km。随着用水需求的增加，现状水厂的供水量已不能满足要求，因此，急需新建水厂，同时配建浑水管道。由于当地水源不能满足要求，仍需从现状水源地引水，需再新建一根长距离输水管道，管道总长约20km。

1 管径确定

长距离输水管道由于管道较长，管径对管道工程投资的影响很大，因此，选择合理的管径，是长距离输水管道工程设计中一项十分重要的工作。管径增大的优点是管路阻力减小，可降低电耗量与年运行费用，而管径减小，虽然管道的一次性投资降低，但管路阻力增大，年耗电量和年运行费用增加。现以实例设计如下：该地拟建新水厂分三期建设，一期规模10万m3/d，二期规模20万m3/d，三期规模30万m3/d。（如表1～3）根据供水规模测算，可供选择的管径有DN1400、DN1600和DN1800，分别计算管道流速和水头损失如下。（考虑管线输送距离较长，自用水系数+漏失率之和取为1.15）。考虑到工程一次建设可以兼顾水厂一、二、三期的运行要求，DN1400管道在水厂达到三期规模时，管道总水头损失过大，取水泵扬程过高，DN1800管道在水厂一期水量较低时，管道内水流流速过低，容易沉积泥沙，因此采用DN1600的管径是较为合理的，如表1～3。

2 管材确定

在大型输水工程中，由于管材所占投资比例较大，所以进行管道材料比较并选择合理的管道材料显得尤为重要。目前我国在工作压力高、管道管径大的长距离输水工程中使用的大中管径管材主要有预应力钢筒混凝土管（PCCP）、钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）。

（1）预应力钢筒混凝土管（PCCP）。预应力钢筒混凝土管是钢筒与混凝土制作的复合管。管芯为混凝土，在其外壁或中部埋入厚1.5mm钢筒，在管芯上缠绕预应力高强钢丝，并在其外部喷水泥浆保护层。该管抗渗性能较好，接口采用钢制承插口，尺寸较准确，设橡胶止水圈，止水效果较好。1000mm以上大口径管道具有明显价格优势。

表1 水头损失计算表 10万m3/d

表2 水头损失计算表 20万m3/d

表3 水头损失计算表 30万m3/d

（2）钢管（SP）。具有较好的机械强度，耐高压，耐振动，重量较轻，单管长度大，接口方便，有较强的适应性，但耐腐蚀性差，防腐造价高。多用在大管径（DN1200以上）和高压处，及因地质、地形条件限制和穿越铁路、河谷和地震区时。

（3）球墨铸铁管（DIP）。强度高，耐腐蚀，使用寿命长，安装施工方便，能适用于各种场合，如高压、重载、地基不良、振动等条件。缺点是大口径管材生产厂家较少，价格较高。上述三种管材在长距离输水管道中都有使用，其中PCCP管最大的优点是其较之其他管道的价格优势，可以降低工程投资；钢管对各类地质条件的适应能力强；球墨铸铁管是“最安全”的供水管道，且承插施工便捷，在具体使用时，可以结合各种项目类型来选取。本文所选示例工程选取了PCCP管，该管材为该地现状长距离输水管材所用管材，该地对该管材的施工和运行维护积累了较为丰富的经验。

3 安全防护技术

（1）水锤防护。水锤是压力管道中水在输送过程中，由于阀门的突然开启或关闭、水泵突然停止、骤然启闭等原因，使管道中的流速发生突然变化，同时压强产生大幅度波动的现象。设计中往往是应用各类计算软件来进行水泵的停泵、启泵、关阀、开阀等特殊情况的模拟，并结合具体工程实际，采取水锤防护措施。常用的水锤防护措施有：①调压塔。调压塔是一种缓冲式的水锤防护设备，其主要目的是防止压力管道中产生负压（水柱分离），一旦管道中压力降低，调压塔迅速给管道补水，以防止或减小负压，避免出现水柱分离，同时在水锤压力上升时管道中的水倒入塔内可以减小水锤压力上升。调压塔结构简单，安全可靠，易于维护，在正常工作时，调压塔的水面高程与管道的压力水头线等高。②单向调压塔。单向调压塔是一种只允许单向流动的调压塔，主要用于防止管道中产生负压，与调压塔相比，单向调压塔在输水主管道相连的短管上装有单向止回阀，水流只能在主管产生负压时由塔内向主管道引水，防止管道中压力降低而产生水柱分离，同样由于管线长，而且全线负压，需要补给水量大，因此单向调压塔的高度、容量都较大。③排气阀。复合式排气阀用于缓解或消除长距离输水工程因负压而造成的断流弥合水锤时，一般装设在管线凸起部位，当管内压力低于大气压时吸入空气，而当管道中压力上升高于大气压时排出空气，能够有效降低长距离输水系统断流弥合水锤危害。三种措施均可以有效减小管道水锤事故发生的风险。同样以上述工程实例进行水锤分析计算，由于工程所在地基本为平原地区，因此水锤发生的风险性较小，采用较为简便的水锤消除措施——设置排气阀，共设置了36只排气阀。排气阀设置后，水锤分析结果如下：吸水井在低液位时水锤分析结果（如图1），吸水井在高液位时水锤分析结果（如图2）。

图1 事故停泵工况全线水击包络线（吸水井低液位）

图2 事故停泵工况全线水击包络线（吸水井高液位）

（2）连通管的设置。为满足检修要求，长距离输水管道一般采用双管线布置，同时根据规范要求，管道检修时输水量不少于设计输水量的70%，因此长距离输水管道需要在两根输水管道之间设置连通管，连通阀的设计是在在每根连通管处的主管上下侧设置2个闸阀，共4个闸阀，以达到分段检修目的。连通管的数量和管径应保证在分段检修情况下满足设计供水量的70%，经计算确定。示例工程新建管道与现状DN1400浑水管连通，连通管管径经计算取为DN1400。

4 结语

在长距离输水管道设计中，由于管道投资占工程总投资比重较大，管材、管径的选择必须结合工程实际进行综合技术经济比较确定。同时由于长距离输水管道的压力高，在设计中必须考虑安全运行措施和便于检修的措施。本文就江苏某地的长距离输水工程在设计中遇到的一些问题进行了论述介绍，但关于长距离输水工程的技术及安全措施还需要更深入的研究与提高。

[1]朱满林, 沈冰, 张言禾, 等.长距离压力输水工程水锤防护研究[ J] .西安建筑科技大学学报:自然科学版, 2007,39(1):40-43.

[2]刘之平，夏庆福，孙双科. 跌坎底流消能水流再附长度的数值模拟研究［J］. 水力发电学报，2012，31( 1) : 162-167.

TU991

：A

：1671-0711（2017）12（下）-0168-02