南水北调配套输水管道工程设计要点

2021-01-07李云光

河南水利与南水北调 2021年1期

李云光

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南郑州 450016)

0 前言

提升南水北调配套工程各段的施工质量，需要在配套输水管道工程的设计过程中，充分考虑区域性的因素，严格遵守相应的设计标准与要点，保障管道材料、工艺应用等能够达到南水北调配套工程的要求，通过输水管道工程来实现水资源的合理分配与利用，提升南水北调工程的综合效益。

1 工程概况

河南省地处南水北调中线工程，在整个工程项目中，受水区供水配套工程供水目标主要为南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作等11个省辖市和所属的6个县级市、28个县城以及邓州市、滑县两个直管市(县)共47个城市的85个水厂。在河南省内，配套工程输水线路总长967.01 km，其中，输水线路长958.29 km，输水涵洞(暗渠)长4.02 km，明渠长4.70 km。

2 设计原则与要点

由于河南的地域条件相对复杂，要保障南水北调配套输水管道工程的建设施工质量，在整个线路布置中，需要遵循以下的要点：一是根据各个城市的总体规划与供水规划来进行，既要满足近期的规划建设要求，还需要符合远期规划的标准，在设计时充分考虑城镇化发展、拆迁改建扩建、投资控制等因素；尽量在输水管道的规划中，考虑现状发展和道路规划要求，减少输水管道与已有建筑物、管网和道路等的交叉。二是充分利用河南省内途径市县的地形地势条件，在条件允许的情况下，考虑重水流输水设计，尽量在输水管道设计时，保持平直性，减少急转弯设计，通过设计优化和改进来控制水力损失。整体的设计过程中，如果存在管道允许调整角度的设计要求，需对镇墩数量加以有效控制，尽量将工程规模控制在合理的范围内，避免不必要的工程经济损失。三是当需要进行穿越段输水管道工程施工时，尽量选择垂直穿越设计，在穿越河流时，管道埋设设计非常关键，如果要保障设计的合理性，需充分考虑河流洪水冲刷线；如果穿越的是大型道路，需尽量避免对原有道路交通所造成的不利影响，可以采用顶管或者箱涵穿越的方式。四是管道埋设设计需要从区域冻土深度、敷设位置、荷载较大段的实际情况出发，针对河南特殊的地理环境，对于耕地内敷设的管线，管顶覆土需在1.50 m以上，而在城区或者荷载较大段，管顶覆土需在2.00 m以上。

3 南水北调配套输水管道工程设计要点

3.1 输水管材选择

3.1.1 钢管

钢管管材比较特殊，决定了钢管的强度较高，可承受较大的压力，很强的地形适应性。在输水管道工程中，如果应用的是钢管，还能够有效减小水头损失，再加上单位管长的重量较小，钢管的密封性较好，本身具有对地基不均匀沉降的抵御能力，即使是相对复杂的地形地质条件下，钢管同样可以得到有效的使用。但是，钢管在使用时同样存在着一定的缺陷，具体表现在：刚度小，大口径管在使用时极易发生变形现象；钢管的抗腐蚀能力较差，极易出现锈蚀现象，输水管道中如果使用的是这种管材，当出现锈蚀以后，水质质量难以保障；管道防腐层易老化，耐久性不足；在整个施工过程中，涉及的焊接工作任务繁重。

3.1.2 球墨铸铁管

球墨铸铁管可承受内水压力超过2.00 MPa以上，通常有50 a的使用寿命，其延伸率、刚度、抗拉强度均强于金属管道，承受土壤静荷载及地面动荷载的能力通常比其他管材强。球墨铸铁管系柔性接口，拆装方便、承受局部沉陷的能力好，特别在有地下水或管内有少量余水的状况下维修容易。球墨铸铁管通常外表面首先喷涂锌层，再喷涂沥青保护，耐腐蚀性比非金属管材弱，但比钢管强。

由于DN≥1 400 mm及DN≤200 mm的球墨铸铁管，铸造难度大、相对价格高，且大口径球墨铸铁管的管件，铸造难度大、同时大口径球墨铸铁管管壁簿，承、插口端容易变形，影响管道敷设。因此，在国内各城市供水管网中，球墨铸铁管目前宜适用于DN300～1 200 mm之内。

3.1.3 预应力钢筋混凝土管

预应力钢筋混凝土管同样是输水管道工程设计时常用的管材类型，这一类管材的加工工艺相对简单，整体的工程造价相对较低，管道在使用过程中，抗渗性和耐久性都较好，整体的施工效率高，具有安装的便捷性。此外，PCP管的内壁比较光滑，发生结垢现象的概率较低，能够在输水管道中保持良好的水力条件，输水能力较强，且管道的抗腐蚀性高，基本上不需要对管道进行内外的防腐处理。但是，PCP管在使用的过程中同样存在着一定的缺陷，比如，管道的质量较重，运输相对不便，承接插口的加工精度控制难度大，整体的接头非常复杂，后续的维护检修非常不便，一些管体部位会出现空鼓与裂缝，最终将会引起渗漏水问题，造成水资源的浪费。

3.1.4 预应力钢筒混凝土管

预应力钢筒混凝土管是一种复合管材，由钢筒、钢丝和混凝土构成，这种特殊的构成使得其在应用的过程中能够有效发挥钢管和预应力钢筋混凝土管的优势。如果在南水北调配套输水管道工程设计时选择的是这种管材，能够有效发挥这类管材的管径范围大、承受压力高、高抗渗性优势。此外，这一管材的管壁厚、刚度大、抗震能力强，腐蚀现象发生概率低。管子接口的加工精度非常高，双橡胶圈的方式使得管材的密封性非常好，承插式安装方式下，更具高效性与便捷性，整体的维修费用较低。但是，PCCP管在使用时对钢丝质量有着较高的要求，保护层比较薄，管道重量大，运输非常不便。

3.2 输水管道管径的选择

河南省南水北调受水区供水配套工程在输水管道方面的资金投入占总投资份额较重，在此之中，由于压重力的管道输水较多，这对于依赖重力输水的同类管材来说，当管道直径越大时，水头损失会相对较小，对水厂可利用水头偏高，总体的管道工程投资较大；相反，当管径较小的情况下，将会存在较大的水头损失，水厂可利用的水头较小，管道投资也相对较小。对于依靠提水的同一种管材而言，当管径增大的情况下，管道一次性投资规模较大，管路在使用过程中存在的阻力相对较小，也就使得管道运行时的耗电量、运行费用相对偏低；相反，在管径减小的情况下，管道一次性投资规模也相对较小，管道运行时的阻力非常大。再加上管道管径与工程投资规模之间存在着紧密的联系，如果想要提升输水管道设计的质量，相关人员在实际的设计过程中，必须要结合工程现场的具体情况以及相应的标准，来确定最佳的管径。对依靠重力作用进行输水的管道来说，在选取经济管径时，通常要结合管道设计流速来予以确定，若是压力输水管道，则设计流速在0.60～3 m/s范围内，在达到了流速与水厂水位的要求以后，尽量选用小管径。

3.3 输水管道工作压力的选择

配套输水管道工程设计时，工作压力同样是管道设计时需要重点考虑的因素，由于输水管道各个分水口门的工作压力存在一定的差异，即使是同一口门输水管道各段的工作压力也会存在较大的区别，这些工作压力在设计时不仅会受到地形条件的影响，还会受到其他因素的影响。在工作压力的设计过程中，专业的设计人员需结合输水管道工程的基本标准与要求，充分考虑多方面的因素，保障管道沿线工作压力计算的准确性。通常状况下，钢管和球墨铸铁管的强度相对而言会比较高，管材压力普遍设计为1.60 MPa，这些类型的管材在工作压力设计时基本上不会对总体的管道工程投资产生较大的影响。