某补水管道迁改段水力损失等相关计算分析

杨 彬

(广州市水务规划勘测设计研究院，广州 510640)

1 工程基本情况及方案设计

1.1 工程背景

广州市天河区车陂路北延线工程南联车陂路过江隧道，北接柯木塱南路，作为中新知识城至生物岛快速通道在天河区内的重要节段，起到整个快速通道建设承上启下的作用。车陂北延线穿广州环城高速隧道段施工范围埋设有一条DN1800的三涌补水工程的补水管道，主要担负处于中心城区的几条重要河涌的补水任务。隧道施工段与现状补水管线高程上存在冲突，由于管材本身的局限性无法满足隧道施工要求，同时影响补水任务的正常进行，因此管线迁改的实施是必要的。

1.2 设计方案

车陂北延线隧道基坑施工范围与三涌补水二期管线原设计桩号为4+822.46～4+966.74段发生冲突，现需对现状管道进行临时迁改，待基坑施工完毕后，再对临时迁改的管道进行永久迁改，其后拆除临迁管道，该段管线需迁改长度为144.28m。本次临时迁改管线合计长度为211.75m，永久迁改管线合计长度为157.25m。

由于迁改管段转变较大，对于管材的材料的材质要求较高，特别是管段的整体性和连接牢固性。经过对PCPP、球墨铸铁及钢管等管材进行比选，本工程新建迁改补水管采用D1820×16钢管，其质量标准应符合相关要求，管壁厚为16mm。管道使用年限为50a。

本次永久迁改管道敷设考虑采用明挖方式，放坡开挖段两侧均采用1：1边坡开挖。沟槽填土按分区密实原则布置。本次设计永久迁改段给水管管底距离隧道顶垂直净距为0.3m，该段给水管位于非机动车道处，本次设计覆土深度为1.0m。

工程总体流程按照：临迁管施工→车陂北延线穿环城高速段隧道基坑及基坑内结构施工→永迁管施工→拆除临迁管的顺序进行。管道迁改的起点及终点位置拟使用PCCP-钢管转换接头进行衔接。

2 钢管管道厚度复核计算

2.1 受力条件分析

缝隙ζ2的建议取值范围为(3.5-4.3)×104r(r为钢管内半径)。本次设计管道内半径为0.894m，经计算取缝隙ζ2=0.38mm。

缝隙判别条件：σRr/Es2≥ζ2。经计算，钢管的抗力限值σR=161.538N/mm2，平面应变的钢材弹模Es2=226373.63N/mm2，σRr/Es2>ζ2=0.38mm。

2.2 内水压力设计值计算

依据相关报告水锤计算章节，可得到水锤压力计算值为H水击=68.70m。

对应公式，内水压力设计值p=γWH=γW[γQ1×(Z蓄-Z安)+γQ2×H水击]

各种作用分项系数取值为：水压力γQ1=1.0，水击(水锤)压力γQ2=1.1。将各参数带入可得内水压力设计值p=0.75N/mm2=0.75MPa。

压力钢管内的静水压力标准值，一般取值与设计内水压的计算值一致，且钢管试验压力≥0.9MPa，因此本次迁改段的钢管试验压力取值为1.0MPa，设计工作压力取值为0.5MPa。实验应符合相关验收规范中的要求。

2.3 管壁厚度计算

内压设计按照巴洛(Barlow)环向应力计算，则管壁厚度t按下式计算：

(1)

式中：p为内水压力设计值，N/mm2；r为钢管内半径，mm；σR为钢管结构构件的抗力限值，N/mm2。

经计算，管壁厚度t= 5.5m，考虑锈蚀厚度4mm。承受外压的直管厚和加强要求应符合现行国家标准《钢制压力容器》GB150-3.7的规定。

2.4 计算结果分析结论

经理论计算所得钢管壁厚一般偏小，通常建议按国家标准进行选择。结合钢管标称外径、标称壁厚表，确定本次钢管尺寸为D1820×16。

2.5 管道附属设施

输水管渠内宜设置检查井与通气设施，以满足管道实际正常运行的需求。本次迁改段管道附属设施包括：

1)检修阀井2座，位于管道迁改起点及终点处；

2)空气阀井1座，位于管道迁改段顶点处；

3)PCCP-钢管转换接头2件；

4)镇墩2个，位于管道迁改起始及终点位置弯折处。

3 水头损失分析(定量计算)

3.1 东圃泵站扬程数据

原三条河涌联合补水二期工程为新建一条抽水干线管道，引东圃泵站水至调蓄池。东圃泵站水头损失为自身泵站水头损失及环城主干管线沿程和局部水头损失，计算上另考虑推荐管材及管线局部高点。管材采用PCCP管。东圃泵站特征扬程计算结果如表1。

3.2 基本设计资料

1)现状管道迁改长度为144.28m，迁改段整段为直管，无弯折。管材为D1800 PCCP管，管道的内壁为混凝土，粗糙系数为n=0.013。

2)临时迁改管道长度为211.75m，有4处<30°的转弯，管材为D1820×16焊接钢管。

3)永久迁改管道长度为157.25m，有4处<60°的转弯，管材为D1820×16焊接钢管。

表1 东圃泵站特征扬程计算表

3.3 本次管线迁改段相关设计参数

迁改段设计参数表，见表2。

表2 迁改段设计参数表

3.4 参数选取

1)钢管的粗糙系数为n=0.013。

3)经试算，沿程水头损失系数λ=0.013[2]。

3.5 全段水头损失计算及分析

1)东圃泵站至车陂北延线隧道段管道水力损失为：

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2)补水管在车陂北延线隧道段提升所需扬程(考虑补水管管顶标高)

由《东圃泵站特征扬程计算表》可知，泵站水力损失为1.49m，东圃泵站至车陂北延线隧道段管道水力损失为10.13m，则补水管在车陂北延线隧道段提升所需扬程为：

①临迁管：H净+hf+hj+h泵=(12.05+0.9-1.05)+10.13+1.49=23.52(m)

②永迁管：H净+hf+hj+h泵(15.75+0.9-1.05)+10.13+1.49=27.22(m)

由上述计算结果可得知：

1)补水管在处提升所需扬程27.22m<泵站设计总扬程37.02m。

2)验算结论：补水管的水头可以通过临迁管及永迁管。

3.6 迁改段水头损失计算

依据上述公式可得水头损失计算值如下表所示。

1)现状管道水头损失

(2)

2)临时迁改管道水头损失

(3)

3)永久迁改管道水头损失

(4)

表3 水头损失计算成果表

3.7 迁改段水头损失分析

1)现状泵站及输水管的总水头损失值

根据《东圃泵站特征扬程计算表》数据可知，现状泵站及输水管的总水头损失为19.05+1.49=20.54m 。

2)迁改管段的水头损失变化值见表4。

3)迁改管道水头损失变化率

由以上计算结果可知，临时迁改后的水头损失增加仅为0.214m，为原泵站及输水管的总水头损失的0.214/20.54=1.04%；永久迁改后的水头损失增加仅为0.069m，为原泵站及输水管的总水头损失的0.069/20.54=0.34%。

表4 迁改管段的水头损失变化值表

表5 迁改管道水头损失变化率表

根据上述计算结果可知，迁改管道水头损失变化值及变化率均较小，故可知迁改工程对泵站及输水管水头损失的影响非常小。

4 流量、用电量等影响分析(定性分析)

4.1 流量影响分析

管道特性的改变(管道长度、材质、局部损失等)，在同等的其他运行条件下，流量扬程会发生相应变化，以东圃水泵参数为例，管道变化会导致曲线左移，流量减小。

同时，管道的老化程度、水质对水损的影响、水泵阀门等老化磨损影响，甚至管道摩擦系数选取、局部水损系数选取等，都会影响水力计算的准确性，无法完全依据曲线图读出流量变化值，通常会与实际情况存在差异。因此建议流量变化以实测为准，本次仅做定性分析。

综上分析，本次迁改段对泵站的运行及流量的影响非常小。

4.2 用电量影响分析

用电量主要与开关水泵时间有关，其他影响相对较小，大致可忽略。

5 结 论

结合车陂北延线段补水管线迁改工程，提出了合理可行的管线迁改方案，并对管线迁改对现状三涌补水管线运行安全的影响进行了定量计算及定性分析，最终得出结论，迁改段各项指标满足要求，不影响补水任务的正常进行。本次计算所采用公式及图表均较于实际情况有所简化，管道的糙率、管道的内部空气阻力以及管道因迁改需要而使用的弯段接头都是造成沿程水头损失和局部水头损失增加的原因。在允许的范围尽可能的减小管道的水头损失，以及合理安排管线接驳期间的停水计划是管线迁改方案需要重点关注的方面。

中心城区补水管线工程的建设是水资源优化配置的重要措施，是城市基础设施建设中重要的一环。随着城市的发展，人口的快速增长，完善城市中心城区路网结构、缓解交通压力越发迫切，随之而来的道路扩建、地铁、隧洞的建设，也让地下补水管线等面临不断地迁改。而补水管道的运行及维护是一项复杂且系统的工程，管线迁改的安全计算分析研究工作仍需从多方面不断地完善和充实。