长距离低水头有压重力流输水管道设计方案探讨

陈 会，肖 烨

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430070)

随着国民经济的飞速发展，建设引调水工程越来越成为缓解区域水资源匮乏的有效途径。如何减少输水过程中的损失，提高水的利用率和用水安全是引调水工程中需要考虑的重点。相比于泵流输水，重力流输水方式能最大限度地利用水的势能，不需要外界提供动力、清洁节能、运行管理方便简单。重力流输水从水力学角度可分为无压重力流输水和有压重力流输水[1]。无压重力流输水明渠需要采用较大的过水断面，水头损失较大，且沿线永久占地问题难以解决。为了尽量节约水头、减少沿程水头损失，有压重力流输水是一种值得研究探讨的输水方式。相比于无压流输水已在实践中积累了丰富的设计和施工经验，重力流输水管道，尤其是长距离低水头有压重力流输水工程，由于工程实例并不多见，许多问题尚需要在实践中研究解决。

本文以实际工程为基础，探寻长距离低水头有压重力流输水管道的设计方案，对输水管材、管径进行综合比选。

1 工程概况

近年由于泽口闸附近汉江河段河床下切明显，泽口闸引水能力降低，导致泽口灌区灌溉保证率下降，设计水平年保证率达不到设计要求。为恢复泽口供水区供水保障程度，改善特枯水年泽口供水区供水状况，保障通顺河等主要河流生态用水，恢复和增加通顺河等主要河流水环境容量和质量，实施引隆补水工程规划及可行性研究。

经分析研究以及规划审批，该工程总体布局为：取水水源位于兴隆库区，输水终点位于泽口灌区深江新闸后1.5 km处，线路总长约40.1 km。取水口水位35.70 m，受水点水位27.51 m，水头差仅为8.19 m，设计流量35 m3/s。因沿线基本农田遍布，且水头紧张，有压重力流输水管道在本工程中有明显适用性。

2 管道设计方案

2.1 管材种类

根据类似工程经验，特别是近几年我国引进大量的新型管材和新的生产工艺后，大型长距离输水工程大多在球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)与玻璃钢管等管材中选择。工程水头小，距离长，所采用的管径越大，则流速越小，水头损失也越小；因而有压重力流输水方式必定需要在大口径输水管道中选取。可见，管材的比选与管径的选择是密切关联的。

国内球墨铸铁管最大口径为DN2600。PCCP标准[2]和玻璃钢管标准[3]中最大管径均可达到DN4000。国内应用的PCCP最大口径为南水北调中线京石段应急供水工程中使用的DN4000；玻璃钢管最大口径为新疆北疆供水一期工程小洼槽倒虹吸使用的DN3700，标准最大口径玻璃钢管未在工程实践中进行检验。因此，将PCCP管作为备选方案之一。

由于以上几种管材在管径方面的局限性，近年来，国内采用盾构法敷设大口径输水管道的工程实例渐次出现，如上海青草沙水源工程(内径5.5 m)[4]、南水北调中线穿黄工程(内径7.0 m)[5]等。输水管道可直接为盾构管片，也可为盾构管片+内衬钢管或钢筋混凝土管的结合体。不论是直接采用盾构管片输水，还是选用盾构管片内衬钢筋混凝土管，管道材质均为钢筋混凝土，因此，为适应本工程特点，将钢筋混凝土管道作为备选方案之二。

2.2 管径比选

管径选择与经济流速、水头损失等有关。在同等条件下，随着管径的增大，流速越小，管路水头损失减小，但管道造价相应会增加。相反，管径减小，流速越高，水损越大，能量消耗较高，但可降低管道造价。

计算管道沿程水头损失，对于沿程均一管径的管道沿程水头损失按下式计算：

hf=v2L/(C2R)

式中：hf为沿程水头损失，m；R为水力半径，m；C为谢才系数，C=1/n(R1/6)；n为管道糙率系数，PCCP管糙率系数取值0.011 9[6]，钢筋混凝土输水管糙率系数取值0.014。

考虑本工程管道沿线拐点、转弯较多，局部水头损失按沿程水头损失的10%进行估算[7]。编制Excel水力计算表格，采用经济水头损失的方法计算经济管径。在满足重力流的情况下，尽可能地减小管径，设法将工程水头充分利用，以此计算的管径即为经济管径，工程投资最小。PCCP管的计算原则为按照目前国内规格选取公称直径，增减根数直到所选管道方案能满足重力流输水条件。为与国内盾构机工作面直径相适应，同时也为减少盾构设备费用，盾构法敷设混凝土输水管仅对单管和双管方案进行计算，见表1。

表1 输水管道水头损失计算

经计算可知，若采用2根PCCP管，管径取标准中最大值DN4000时，水头损失仍较大，不能满足重力流输水的要求；增加根数，采用3根DN3800PCCP管时，总水头损失明显减小，达到重力流输水条件。然而，由于PCCP管仅能从既有规格直径中选取，3根DN3800PCCP管方案在满足重力流输水条件的同时，未利用水头达1.11 m，尚不经济。盾构法敷设混凝土输水管时，单管方案采用内径6.0 m、双管方案采用内径4.6 m时既能满足重力流输水条件，又能使未利用水头最低，分别仅为0.47、0.23 m，较为经济。

2.3 投资对比及方案选择

通过管材、管径的综合比较，初拟了3根PCCP管、2根内径4.6 m混凝土输水管、1根内径6.0 m混凝土输水管的备选方案。计算不同管道方案的主要土建工程直接投资，在输水线路总长度上进行分摊，得出各方案的单位线路长度投资对比见表2。

表2 输水管道方案投资对比

PCCP管方案投资最大，主要原因在于：①PCCP管需通过埋管法布设输水管道，土方开挖回填工程量大；②管槽开口线宽度估计约50 m，临时占地面积大、拆迁补偿成本较高；③工程区水资源丰富，地下水常年保持在地表以下1 m处，基坑开挖稳定边坡须缓于1∶2，受施工机械振动、降雨等影响，基坑边坡易产生滑移，临时排水及边坡处理工程量较大。同时，由于管道沿线基本农田遍布，临时征用、组织协调难度极大。

混凝土输水管单管方案在工程投资上优势较大，比PCCP管方案节省投资约16.6%，比双管方案节省约13.3%。盾构法敷设输水管道不受地表因素的控制，除工作井外，不构成沿线大规模临时占地。采用盾构法施工，按工程地质条件进行设备选型，是隧道施工的关键环节[8]。适应本工程地下水丰富的特点，选用泥水加压平衡盾构技术可以有效稳定开挖面地层，降低对地层的扰动，且通过泥水形成的泥膜有效地防止涌水，通过同步注浆可以很好地控制地表下沉且能避免发生管片渗漏，在渗透系数大、水土压力较大的富水地层中能较好地控制施工风险[9]。

相比于单管方案，双管方案的优势在于其输水可靠度较高，一旦某根管道发生故障，另一管道仍可正常供水。然而，本工程水头较低，管道内最大工作水头约0.4 MPa，设计流速仅1.24 m/s，管道发生故障概率较低，且本工程任务主要以灌溉为主，可充分利用不引水时段对管道进行全面检修维护，进一步减小管道故障率，进而提高其输水可靠度。

基于以上对比分析可知，不论是从经济角度还是从风险控制角度来看，盾构法单管方案都更适用于本工程长距离低水头有压重力流输水的特点。

3 结 语

1)在长距离低水头输水工程中，为尽量节约水头、减少沿程水头损失，相比于无压流，有压重力流输水是一种值得研究探讨的输水方式。

2)管道方案的确定需经过管材、管径综合比选。长距离有压重力流输水经济管径的确定原则是既能满足减少水头损失以实现重力流输水，又要尽量缩减未利用水头。管径越大，流速越小，管道水损减小，但管道造价相应会增加，应通过计算合理选择经济管径。

3)PCCP管、玻璃钢管等国内应用较广的新型管材，在管径方面存在一定的局限性，大管径应用工程实例亦不多；而盾构法敷设输水管道可达到更大管径，近年来在输配水工程中应用日趋成熟。长距离低水头输水对管径提出更高的要求，采用盾构法敷设输水管道在此方面有其优越性；且相比于埋管法，本工程盾构法投资方面也更具优势。

4)本文基于长距离低水头有压重力流输水工程规划及可研阶段资料，进行了前期管道设计方案比选，为类似工程提供了参考。实际工程中应随着设计阶段的深入和设计资料的完善，进一步复核、确定设计方案。