平原区长距离PCCP输水工程设计探讨

韩福涛

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

随着我国国民经济的快速发展，人民生活水平逐渐提高，对各种自然资源的需求也越来越多。如今不少城市的水资源日益紧缺，全国各地长距离输水工程逐渐增多。安徽省某输水工程位于皖北平原，设计流量5.0m3/s，管线长度约32.0km，在管道末端建设调蓄水库。本文重点研究该工程前期设计期间的六个问题。

1 管线布置

管线布置一般按以下原则确定：（1）应结合现场调查的实际地形地貌，了解城市道路管网规划，在不妨碍工程管线正常运行、检修和合理占用土地的情况下，使线路短捷；（2）尽可能沿现有、规划公路布置，以利于施工、管理及维修；（3）管线穿越铁路、公路、河流、沟渠时尽量正交；（4）管线纵向布置结合管道水力过渡过程研究成果确定，正常输水条件下，管道最小内水压力包络线，应高于管顶不小于2.0m。

2 管材选用

平原区输水管道沿线多为平坦的土地，沿线村庄多，道路交叉干扰多。同时管道运行期间，上覆土层仍在进行土地耕种等生产活动，要求管道除具备较高的抗内压强度外，还应具备较高的抗外压水平。

管线一般可供使用的管材有：钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）等，管材选用应根据其设计内径、设计内水压力、敷设方式、外部荷载、施工和材料供应等因素，通过技术、经济、安全等方面综合比较确定。

钢管是传统的输水管材，特点是耐高压、耐振动、质量轻、单管长度大和接口方便，穿过多变地形或铁路、河谷时通常作为首选。但承受外荷载的稳定性差，耐腐蚀性差，管壁内外都需有防腐措施，而且造价较高。

球墨铸铁管利用离心力铸造成形，管壁致密，石墨形态为球状，基体以铁素为主，伸长率大，强度高，性能与钢管相似，具有柔韧性，适应突发力强，且抗弯强度比钢管大，使用过程中管段不易弯曲变形，能承受较大负荷，材料耐腐蚀性好，一般不需作特殊防腐处理，其接口为柔性接口，具有伸缩性和曲折性，适应基础不均匀沉陷。

PCCP 管是一种钢性管材，它是带有钢筒的高强度混凝土管芯缠绕预应力钢丝，喷以水泥砂浆保护层，采用钢制承插口，同钢筒焊在一起，承插口有凹槽和胶圈形成了滑动式胶圈的柔性接头，是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构，具有钢材和混凝土各自的特性。PCCP 管具有合理的复合结构、承受内外压较高、抗裂及抗渗能力好、接头密封性好、抗震能力强、施工方便快捷、防腐性能好、维护方便、运行费用低、适用范围广等特性，被工程界所关注，广泛应用于各类工程建设中。

长距离输水工程一般保证率要求较高，供水管道不宜少于两条。该工程建有调蓄水库，选用一条。

前期设计中综合比选了以上三种管材，最终确定选用单条PCCP，内径2.0m，流速为1.59m/s。

3 水头损失计算

水头损失计算是平原区长距离输水的重要内容之一，因泵站的设计扬程一般不大，而水头损失可能是设计扬程的数倍。输水管路水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失之和，其中沿程水头损失按照《室外给水设计规范》（GB 50013-2006）中的公式（7.2.2-2）计算：

参照该规范，管道计算时，y 取1/6，n 的取值范围0.011～0.0125。考虑到类似工程的经验和该工程的实际运行特点，随着管道运行时间的增加，n值一般会逐渐增加直至稳定；实际运行中可能会有污物附着于管壁，造成n 值增大，综合以上因素，该工程n 值设计时取0.0125；当选定水泵后，对水泵在n 值在0.011～0.012 范围进行校核，以验证水泵是否能正常工作。

局部水头损失按照以下公式计算：

经计算，该工程hy=31.39m，hj=3.24m。

综上，管道的水头损失为34.63m。该工程加压泵站的设计扬程为8.55m，水头损失是设计扬程的4.05 倍。此外，水泵选型时尚需考虑泵房内部水头损失、管道出口压力等。

4 阀井布置

根据相关规范要求和工程特点，该工程设置了排水阀井、检修阀井、流量计井、调压塔井、空气阀井、出口阀门井等设施。

4.1 检修阀井

该工程管路长度约32.0km，输水管线设置检修阀门用于事故时分段放水检修，根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规范》（CECS193:2005）的规定，每5～10km 宜设一处检修阀。该工程需跨越4 条河流和多条大型渠道，根据工程特点和规范要求，将管路分成5 段，约6 公里设置一处检修阀，共设置4 座检修阀井。

4.2 排水阀井

为便于管道排泥和管道检修排水以及管道爆管维修的需要，设置排水阀。根据检修阀井的设置和管路的分段，在每段的管路低处设置排水管阀，在两个检修阀之间管段，每段设置2 处排水阀井，全段管路共设置10 处排水阀井。

4.3 流量计井

在泵房出口管路处、管路进入水库前设置流量计，同时由于该工程管路距离较长，为监测流量变化和监测爆管的位置，在管路中间管段亦设置流量计，共单独设置3 处流量计。

4.4 双向调压塔井

根据水锤计算成果，宜设置双向调压塔井对管道进行防护设计。该工程共设置了3 座调压塔井，井内设置双向调压塔、Y 型滤水器、手动蝶阀等，具体位置应根据水锤计算结果确定。

4.5 空气阀井

根据水锤计算成果及相关规范要求，在管路高程变化段和沿平直段每隔一定距离设置空气阀。输水管道在坡度小于1‰时，宜每隔0.5～1.0km 设置进气排气阀。该工程最终共设置空气阀井44 处。

4.6 出口阀门井

在管路进水库前设置出口阀门井，井内设置液控止回蝶阀防止故障时水库水倒流，设置流量计监测管道末端流量。

5 管材防腐与安全监测

PCCP 常规的防腐方案一般有阴极保护、无溶剂环氧煤沥青涂层等。PCCP 防腐涂层应根据管道的重要性、所处环境条件和经济等因素确定。勘测阶段应进行管道沿线土壤和环境水的腐蚀性检测，根据腐蚀性等级确定合理的防腐方案。

阴极保护技术适用于埋地PCCP 的腐蚀控制和防护，阴极保护系统分为牺牲阳极和强制电流两种方法，通常采用牺牲阳极法，其设计、施工和运行应与主体工程同步进行。

无溶剂环氧煤沥青综合了环氧树脂和煤沥青的优点，防腐层具有优异的抗化学介质腐蚀和渗透性，良好的物理机械性能，还具有优异的电绝缘性、抗水渗透性、抗微生物侵蚀、抗杂散电流、耐热、耐高温骤变等优良性能，具有极好的防腐性能，在管道防腐方面有着广泛的应用。

PCCP 安全监测项目应根据压力管道的级别、结构特点和地质条件，对主要受力构件、钢丝应力、内水压力、位移、断丝等项目选作。同时，施工期和运行期安全监测设备应采取有效的保护措施，检测仪器设置后即应取得基准值，并开始监测，及时整理分析资料。

6 止推设计

管道在平面转弯处、高程纵向变化处均有较大的水压力，做好止推设计是PCCP 输水工程中的重要内容。镇墩承受的内水推力与管道的设计压力、截面积、转弯角度有关，一般通过镇墩的自重、土的抗力来抵消内水推力。内水推力较大时，也可考虑采用限制性接头措施。

镇墩设计时，尚应考虑地质条件、地下水位等因素，合理确定镇墩尺寸，达到安全、经济的目的。

7 结语

长距离输水工程投资大，管线布置限制因素多，水锤效应复杂，涉及的专业较多，需工程技术人员精心设计，通力配合，为工程实施打好基础■