大口径长距离输水管道优化设计探讨

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆自治区地处西北大陆，水资源缺乏，且分布较为不均，加之某些地区经济发展较快，用水矛盾问题日益突出，因此水资源输送和调配成为维持某些地区社会经济发展的必要途径。大口径长距离输水管道是当前水资源调配的主要手段，在保证水质、管材及线路选择、施工灵活性等方面相对于渠道输水有着较大优势。

1 工程概况

新疆某开发区是“一带一路”新疆站的重要据点，于2012年9月15日经国务院批准成为国家级经济技术开发区。近10年来，开发区累计完成基础设施投资80亿元，招商引资超过667亿元，逐步建立起以煤电、煤化工、煤制油、新兴建材等为主的支柱产业。为保证开发区日常用水，设计建设一条连接某水库到开发区的输水管道，长度约20.4 km。

2 输水管道优化设计分析

大口径长距离输水管道优化设计主要包括的内容有：管材选择、输水干管条数、管径选择、管道埋深等内容，下面以准东经济开发区输水管道工程分别进行分析。

2.1 输水管道管材的选择

管道是输水工程中的核心因素，如果管道某处出现爆管、渗漏等问题，将会带来巨大的水资源浪费，且维修难度大、费用高。管材的选取直接决定了输水管道的安全稳定性，而且对工程投资也有着直接影响，因此需要结合多方因素综合考虑。

2.1.1 各类管材优缺点比较

目前可用于输水管道的管材主要包括：钢管(SP)、球墨铸铁管(DIP)、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、玻璃钢夹砂管(FRPM)。各类型管材优缺点对比相见表1所示。

2.1.2 不同管材水力条件分析

由于大口径输水管道输送水量大、距离长，因此产生的水头损失较大，为节约运行功耗，尽量选择水力特性好的管材。本项目为方便计算，采用“舍齐公式”来计算各类管材水头损失。

表1 各类管材优缺点对比

(1)

式中：Q为流量，m3/s；k为常数；n为粗糙系数；D为管径；i为水力坡度。

根据以下三种情况来对比不同管材水力条件：1)流量、水头损失一样，求管径之比；2)管径、水头损失一样，求流量之比；3)管径、流量一样，求水头损失之比。具体计算结果对应情况为：

1)四种管材(顺序为：钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、玻璃钢夹砂管)管径之比为“1.15：1.15：1.1：1”，即在流量、水头损失一样情况下，钢管和球墨铸铁管管径最大，预应力钢筒混凝土管其次，玻璃钢夹砂管最小；

2)四种管材流量之比为“1：1：1.17：1.43”，即玻璃钢夹砂管的流量远大于钢管和球墨铸铁管，预应力钢筒混凝土管位于中间位置；

3)四种管材水头损失之比为“2.1：2.1：1.5：1”，即玻璃钢夹砂管水头损失远小于钢管和球墨铸铁管，预应力钢筒混凝土管还是位于中间位置。

2.1.3 管材的确定

通过上述对比，玻璃钢夹砂管的水力特性最突出，但是其单价较高，且质地较软，本工程输水方式为“重力+加压泵站”。管线经过地带多为经济作物，需要填埋后复耕。从施工条件、地质条件、管道承压等各方面考虑，最终选择预应力钢筒混凝土管(PCCP)作为本工程施工管材，其具体结构如图1所示。

图1 预应力钢筒混凝土管(PCCP)具体结构

2.2 输水干管条数设计

输水安全性和可靠性是评价管道工程的重要指标，该开发区对当地经济影响较大，因此本项目对单管方案和双管方案进行了比较。根据估算，开发区用水规模在35～40万 m3之间，初步拟定管径范围在DN1600-2400(以中间加压泵站为界点，管径由大变小)，据此对两方案经济性进行对比，相见表2。

表2 输水干管条数方案对比

由表2数据可知：单管方案比双管方案节省投资为2 320.4元/m，共计节约投资超过4 600万元，且开发区附近有一小型水库可作为应急水源，因此本项目设计采用单管输水方案。

2.3 经济管径优化设计

在大口径长距离输水管道系统中，管道成本占到整个工程投资的70%左右，若管径过大，则会增加管道、泵站投资；若管道过小，则会增加日常运行费用。因此最佳管径应结合管网、管材、输水量等多个因素综合考虑。

2.3.1 糙率和水头损失计算

经查找相关规范可知：预应力钢筒混凝土管(PCCP)糙率n范围在0.011～0.012 5，考虑管道运行一段时间后内壁会产生生物膜，因此本项目管道糙率n取最大值0.012 5。

针对本项目重力流段输水管道，结合曼宁公式和谢才公式来估算其水头损失，其中沿程水头损失hf计算见(2)。为简化计算，本项目的局部水头损失按照沿程水头损失的10%计算。

(2)

式中：v为水流速度，m/s；C为谢才系数；R为水力半径，m；l为输水管线长度，m。

2.3.2 最优管径的确定

该开发区输水管道工程重力流段长约12 km，最大流速设计不超过3 m/s，根据用水规模，设计以下三种管径组合方案。由表中数据可知：三种组合方案流速、流量等均符合要求，但水头损失相差较大，考虑工程经济性及准东经济开发区的发展规模，本项目设计采用组合二方案作为最终施工方案。

表3 重力流段PCCP管组合对比

3 结语

通过方案对比最终确定了该工程最优管道选取参数和组合方案，在满足要求的前提下充分考虑开发区的发展前景，该经济开发区完成该项输水管道铺设工程后，基本保证了未来20年的发展需要，且工程取得了较好的经济和社会效益。输水管道是地区建设的重要基础性设施，在设计时应紧密结合工程实际情况，力求各项指标做到因地制宜，切不可盲目追求高大上设计。