田阳县露美高效节水灌溉工程主管路设计方案

2020-09-02李玉

广西水利水电 2020年4期

李玉

（广西桂禹工程咨询有限公司，南宁 530023）

1 工程概况

田阳县露美高效节水灌溉工程项目（以下简称露美项目）位于田阳县宝美到新立县级公路两侧区域，呈西北向东南方向狭长带分布，西北端起自那坡镇宝美村陇驮屯，东南端至那满镇新立村兴隆屯，长约18 km，涉及到那坡镇宝美村、合力村及六合村的驮亮屯，那满镇露美村及新立村忑陇屯、下果屯、兴隆屯，项目区可耕种面积约1.06 万亩。工程分两期实施，其中一期工程实施范围为那满镇露美村及新立村忑陇屯、下果屯、兴隆屯，设计灌溉面积2700 亩；二期工程实施范围为那坡镇宝美村、合力村耕地及六合村部分果园，以及那满镇露美村、新立村果园，总规划面积7900亩。

露美高效节水灌溉工程一期工程已建成通水，设计灌溉面积为2700 亩，分布在叫眼屯、露美村及新立村附近，水源取自地下暗河，为工程补充水源，设计流量0.11 m3/s，修建抽水泵站1座，经泵站抽水到高位水池（300 m3）后进行自流灌溉，敷设27.15 km输配水管道。

露美高效节水灌溉工程二期工程设计灌溉面积7900亩，包括3645亩经济作物与4255亩果园，灌溉方式为管灌。工程由水源工程、输配水系统及田间管网组成，水源工程为新建宝美电灌站，设计流量0.34 m3/s，装机3台，装机容量785 kW。输水系统由泵站分别输水到1#、2#水池组成，1#水池控制灌溉面积700 亩，2#水池控制灌溉面积7200 亩，包括一期的灌溉范围。由1#、2#水池自流向田间供水，经济作物配置田间管网，由15 个灌水系统组成，每个灌溉系统内按6 亩配置一个给水栓，每个给水栓安装IC卡水表，由用户预付费后再由给水栓接软管自行浇水。果园根据实际情况设置8座300 m3的高位水池，再配置一定数量的地头水柜，由用户从高位水池或地头水柜自行取水进行灌溉。

2 主管路工程设计

2.1 主管路比选

主管路从电灌站到2#水池及2#、3#水池后的配水干管管径为500～600 mm，总长度9 km，管材造价对总造价影响很大，因此对这一段管路进行管材选择，用钢管、PE 管、预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP）进行比选。管材比对见表1。

管材钢管管材性能耐腐蚀性差，需要防锈，安装方便PE管耐腐蚀，寿命长，安装方便预应力钢筒混凝土管（PCCP）耐腐蚀，寿命长，安装要求高造价750元/m（DN610×8）1563元/m（DN630 1.0 MPa）672元/m（DN720 1.0 MPa）

主干管采用3个方案进行比较：

方案一：采用原设计方案，主管路均采用PCCP管。

方案二：部分地形较陡管段，采用钢管，其余管段均采用PCCP。

方案三：主管路全部改为钢管。

2.2 设计方案选择

2.2.1 方案一：PCCP管方案，即采用原设计的方案

（1）从右江边的宝美电灌站—1#水池935 m 输水管路中：从抽水泵站—岸上公路的长度为L1=292 m，由于地形较陡，采用埋地DN200 镀锌钢管（壁厚6.5 mm）；从岸上公路—1#水池依次采用埋地DN225 的PE100 管（PN0.8 MPa）200 m 和DN225 的PE100管（PN0.6 MPa）443 m，共计935 m。

（2）宝美电灌站-2#水池输水管路全线采用埋地DN720 PCCP 管，总长1205 m，管道规格依次为2 MPa（L1=131 m）、1.6 MPa（L2=271 m）、1.2 MPa（L3=803）。

（3）2#、3#水池后的输水管路全线采用PCCP管，总长7607 m，其中管道规格分为两段：第一段0.8 MPa，长4821 m，DN720；第二段1.0 MPa，长2786 m，DN500。

2.2.2 方案二：PCCP管为主+部分钢管的方案

（1）对右江边的宝美电灌站—1#水池的管线进行局部调整，由935 m 调整为919 m，整个管线采用明设DN244.5焊接钢管（壁厚6 mm）。

（2）对右江边的宝美电灌站—2#水池输水管路进行局部调整，由1205 m 调整为1192 m：对从抽水泵站～岸上公路的长度为L1=120 m管段，由于地形较陡，采用明设DN610 焊接钢管（壁厚11 mm）；从岸上公路—2#水池山脚的沿公路边布置的长度为L2=952 m 管段，采用敷设DN720 PCCP 管（其中前270 m 管段压力等级为1.6 MPa、后682 m 压力等级为1.2 MPa）；从2#水池山脚—山顶2#水池的管段地形较陡，上水管道长度为L3=120 m，采用DN610 明设焊接钢管（壁厚9 mm）；3段管道合计1192 m。

（3）2#、3#水池后的输水管路总长度为7607 m，对地形较陡的长度为L=158 m段，采用壁厚7 mm钢管；其余处于地形较为平缓的L=7449 m 管段，采用DN720 PCCP 管，其中有4663 m 的管段压力等级为0.8 MPa，另有2786 m长的管段压力等级为1.0 MPa。

2.2.3 方案三：主管路全部为钢管的方案。

（1）宝美电灌站—1#水池输水管路全线采用DN244.5明设焊接钢管（壁厚6 mm），全长919 m。

（2）宝美电灌站—2#水池输水管路全线采用DN610 明设焊接钢管，全长1192 m。L1=120 m 管段，采用明设DN610 焊接钢管（壁厚11 mm）；L2=952 m 管段，采用明设DN610 焊接钢管（壁厚10 mm）；L3=120 m，采用明设DN610 焊接钢管（壁厚9 mm）。

（3）2#、3#水池后的输水管路采用焊接钢管（壁厚7 mm），全长7607 m，其中管道规格分为3 段：第一段为1.0 MPa，长3788 m，DN610；第二段为1.0 MPa，长1033 m，DN559；第三段为1.0 MPa，长2786 m，DN457。

2.3 管道水力计算

2.3.1 水头损失计算

（1）钢管PCCP管的水力计算，采用下式：

式中：hf为管道沿程水头损失，m；Q 为管道设计流量，m3/s；L 为管道长度，m；K 为流量模数，m3/s；A 为过水断面面积，m2；R 为水力半径，m，圆管为d/4；C为谢才系数；n为粗糙率。

（2）对于PE管，沿程水头损失按下式计算：

式中：hf为管道沿程水头损失，m；Q 为管道设计流量，L/h；f 为摩阻系数，PE 管为0.505，PVC-U 管为0.464；b 为管径指数，PE 管为4.75，PVC-U 管为4.77；m为流量系数，PE管为1.75，PVC-U管为1.77；L为管道计算长度，m；d为管道内径，mm。

局部水头损失均按沿程水头损失的0.15倍计。总水头损失为沿程水头损失加上沿程水头损失。

方案一宝美电灌站—1#水池输水管路水力计算表见表2、表3，方案二、三宝美电灌站—1#水池输水管路水力计算表见表4。

管材管长L/m流量Q/（m3/s）内径d/（mm）糙率n 流速/（m/s）沿程损失/m总损失/m镀锌钢管292 0.032 200 0.012 1.02 2.37 2.73

管材PE（PN0.8）PE（PN0.6）合计管长L/m 200 443流量Q/（m3/s）0.032 0.032外径/mm 225 225壁厚/mm 10.8 8.6内径d/mm 203.4 207.8流速v/（m/s）0.98 0.94沿程损失hf/m 0.79 1.57总损失h/m 0.90 1.81 2.71

管材焊接钢管管长L/m 919流量Q/（m3/s）0.032外径/mm 244.5壁厚/mm 6内径d/mm 232.5糙率n 0.012流速v/（m/s）0.75沿程损失hf/m 3.34总损失/m 3.84

从表2～4 可以看出，方案一的总水头损失为5.44 m，方案二、三比方案一的宝美电灌站—1#水池输水管路总水头损失均减少1.6 m。根据规范《焊接钢管尺寸及单位长度重量》（GB/T21835-2008），若方案二、三焊接钢管选择外径小于244.5 mm中的最大外径219.1 mm，壁厚5 mm 时，总水头损失为6.77 m，比方案一增加1.33 m，不能满足工程要求。因此确定方案二、三的焊接钢管外径为244.5 mm，壁厚6 mm，满足工程要求。

方案一～三宝美电灌站—2#水池输水管路水力计算表见表5。

方案方案一方案二流量Q/（m3/s）0.305 0.305 0.305 0.305外径/mm 720 610 720 610壁厚/mm 60 11 60 9内径d/mm 600 588 600 592糙率n 0.014 0.012 0.014 0.012流速v/（m/s）1.08 1.12 1.08 1.11流量模数/（m2/s）5.70 6.30 5.70 6.41方案三管材PCCP管焊接钢管PCCP管焊接钢管合计焊接钢管焊接钢管焊接钢管合计管长L/m 1205 120 952 120 1192 120 952 120 1192 0.305 0.305 0.305 610 610 610 11 10 9 588 590 592 0.012 0.012 0.012 1.12 1.12 1.11 6.30 6.36 6.41沿程损失hf/m 3.45 0.28 0.77 0.27 3.28 0.28 2.19 0.27 2.74总损失/m 4.17 0.32 3.14 0.31 3.77 0.32 2.52 0.31 3.15

从表5可以看出，方案一～三的总水头损失分别为4.17、3.77、3.15 m。方案二、三比方案一的宝美电灌站—2#水池输水管路总水头损失分别减少0.40、1.02 m。

根据规范《焊接钢管尺寸及单位长度重量》（GB/T21835-2008），若方案二焊接钢管选择外径小于610 mm 中的最大外径559 mm，壁厚分别为11、9 mm 时，管路总水头损失为4.17 m，与方案一相同；若方案三焊接钢管选择外径小于610 mm中的最大外径559 mm，相应壁厚分别为11、10、9 mm时，总水头损失为5.11 m，比方案一增加0.94 m，不能满足工程要求。综合考虑，方案二、三选择焊接钢管的外径为610 mm，满足工程要求。

2.3.2 水锤分析

直接水锤的公式按下式计算：

对于钢管、PCCP管，按下式计算：

式中：△H 为直接水锤的压力水头增加值，m；aw为水锤波传播速度，m/s；△v为管中流速变化值，为初流速减去末流速（m/s）；d为管道内径，m；e为管壁厚度，mm；K 为水的体积弹性模数（GPa），常温时为2.025 GPa；E 为管材纵向弹性模量，PCCP 管取20.58 GPa，钢管取206 GPa；c为管材系数，PCCP管c=1（/1+9.5 a0），钢管c=1；a0为管壁环向含钢系数，a0＝f/e；f为每米长管壁内环向钢筋的断面面积，m2。

宝美电灌站—1#水池输水管路、宝美电灌站—2#水池输水管路水锤计算成果表分别见表6、表7。

编号方案一方案二方案三管材压力等级/（MPa）镀锌钢管焊接钢管焊接钢管2 2 2外径/m 0.2 191 0.2 445 0.2 445内径d/m 0.2 061 0.2 325 0.2 325管壁厚度e/m 0.0 065 0.006 0.006管材系数c 1.00 1.00 1.00水锤波传播速度aw/（m/s）1244 1213 1213流速△v/（m/s）1.02 0.75 0.75水锤压力△H/m 129 93 93

编号方案一方案二方案三管材PCCP管PCCP管PCCP管焊接钢管PCCP管PCCP管焊接钢管焊接钢管焊接钢管焊接钢管压力等级（MPa）2.0 1.6 1.2 3.0 1.6 1.2 3.0 3.0 3.0 3.0管长/m 131 271 803 120 270 682 120 120 952 120外径/m 0.72 0.72 0.72 0.61 0.72 0.72 0.61 0.61 0.61 0.61内径d/m 0.600 0.600 0.600 0.588 0.600 0.600 0.592 0.588 0.590 0.592管壁厚度e/m 0.060 0.060 0.060 0.011 0.060 0.060 0.009 0.011 0.010 0.009管材系数c 0.75 0.80 0.85 1.00 0.80 0.85 1.00 1.00 1.00 1.00水锤波传播速度aw/（m/s）1081 1066 1052 1154 1066 1052 1111 1154 1134 1111流量/（m3/s）0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305流速△v/（m/s）1.079 1.079 1.079 1.124 1.079 1.079 1.109 1.124 1.116 1.109水锤压力△H/m 119 117 116 132 117 116 125 132 129 125

当计入水锤后的管道工作压力超过试验压力时，应采取水锤防护措施。宝美电灌站—1#水池输水管路、宝美电灌站—2#水池输水管路水锤验算结果分别见表8、表9。

方案编号方案一方案二方案三管材镀锌钢管焊接钢管焊接钢管内径/mm 206.1 230.3 230.3工作压力/MPa 0.97 0.97 0.97压力等级/MPa 2.0 2.0 2.0试验压力/MPa 1.47 1.47 1.47水锤压力/MPa 1.29 0.93 0.93总压力/MPa 2.26 1.90 1.90结果比较2.26 ＞1.47 1.9＞1.47 1.9＞1.47不满足不满足不满足

方案编号方案一方案二方案三管材PCCP管PCCP管PCCP管焊接钢管PCCP管PCCP管焊接钢管焊接钢管焊接钢管焊接钢管内径/mm 600 600 600 588 600 600 592 588 590 592工作压力/MPa 1.30 0.77 0.57 1.30 0.89 0.67 0.53 1.30 0.89 0.53压力等级/MPa 2.0 1.6 1.2 3.0 1.6 1.2 3.0 3.0 3.0 3.0试验压力/MPa 1.60 1.07 0.87 1.80 1.19 0.97 1.03 1.80 1.39 1.03水锤压力/MPa 1.19 1.17 1.16 1.32 1.17 1.16 1.25 1.32 1.29 1.25总压力/MPa 2.49 1.94 1.73 2.62 2.06 1.83 1.78 2.62 2.18 1.78结果比较2.49 ＞1.6 1.94 ＞1.07 1.73 ＞0.87 2.62 ＞1.8 2.06 ＞1.19 1.83 ＞0.97 1.78 ＞1.03 2.62 ＞1.8 2.18 ＞1.39 1.78 ＞1.03不满足不满足不满足不满足不满足不满足不满足不满足不满足不满足

从表9、10可看出，对PCCP管、钢管计入水锤后的压力大于管道的试验压力，不能满足设计要求。为安全防护考虑，管路水泵出口安装缓闭止回阀，关阀历时大于30 s。安装缓闭止回阀后，以PCCP管为例水锤计算如下：

设定止回阀关阀历时Ts=30 s。相长Tr=2l/aw=2×1205/1067=2.26 s，Tr＜Ts，因此，按间接水锤计算。管道特征系数μ=awv/2gH0=1067×1.08/（2×9.81×130）=0.452。水击常数σ＝vl/gH0Ts=1.08×1205/（9.81×130×30）=0.034。最大水击发生在首相末，首相末相对开度为：τ1=1-2.26/30=0.925

最大水击压强水头为△H =ξH0=0.049×130=6.4 m。

同理可计算钢管的水击压强为7.2 m。

输水管路安装缓闭止回阀后水锤验算表见表10。

管道焊接钢管镀锌管焊接钢管PCCP管焊接钢管管长/m 919 292 1192 1205 1165流速V/（m/s）0.750 1.020 1.318 1.079 0.840水锤波传播速度aw/(m/s）1241 1244 1104 1067 1198相长Tr/s 1.92 0.47 2.16 2.26 1.95关阀历时Ts/s 30 30 30 30 30工作压力H0/m 93 93 130 130 100特征系数μ 0.523 0.695 0.570 0.452 0.513水击常数σ 0.033 0.011 0.041 0.034 0.033首相末相对开度τ1 0.936 0.984 0.928 0.925 0.935相对压强ξ 0.055 0.016 0.055 0.049 0.055水击压强ΔH/m 5.1 1.5 7.2 6.4 5.5

从表10 中可看出，安装缓闭止回阀后，缓闭时间30 s，水锤可基本消除。

2.4 钢管壁厚设计

钢管壁厚计算采用公式:

式中：δ为钢管壁厚，mm；Hj为计算水头，为设计水头与水锤压力之和，m；D为钢管管径，mm；φ为焊缝系数，双面对接焊0.95，单面对接焊0.9；[σ]c为钢管许用应力，kgf/cm³，（1 kgf/cm³=98 kPa），荷载仅考虑内水压力时，取0.75[σ]，4.5～16 mm 厚Q235-C 钢板，在温度≤20℃环境下，许用应力为125 MPa。

钢管壁厚计算结果见表11。

工作水头H1/m 97 130 89 53水击增压△H/m 93 132 129 125计算水头Hj/m 190 262 218 178钢管内径d/mm 232.5 588.0 590.0 592.0卷焊系数0.9 0.9 0.9 0.9许用应力[σ]c/（kgf/cm3）956.6 956.6 956.6 956.6计算壁厚δ/mm 2.6 9.0 7.5 6.1锈蚀厚度/mm 2222钢管壁厚/mm 6 11 10 9

2.5 各方案投资

根据统计的工程量计算投资（见表12）。

编号一12二三12工程或费用名称建筑工程管道工程阀门井机电设备及安装工程金属结构设备及安装工程阀门设备管道工程方案一（钢筒管）120.29 112.06 8.23方案二（钢管+钢筒管）115.81 107.49 8.32方案三（钢管）47.43 44.48 2.95投资合计659.45 5.34 654.11 779.74 667.12 5.16 661.96 782.93 748.60 6.23 742.37 796.03

2.6 管道设计成果

根据计算结果，3个方案优缺点见表13。

方案编号管材方案一PCCP管方案二钢管+PCCP管方案三钢管优点安全可靠，耐久性好，抗外压性能好，无须防腐，价格较低，使用寿命50年以上介于方案一与方案三之间重量较轻，安装方便，施工技术容易掌握，施工期短，运行维护方便缺点重量较重，施工期较长，安装要求高运行维护检修时间长，投资较少介于方案一与方案三之间抗外压性能差，耐久性差，使用寿命一般为20年，防腐较困难，投资稍多

综合比较3个方案的优缺点，同时为了方便施工、加快施工进度，根据业主的要求，推荐采用方案三。