长距离输水管道工程规划设计要点归纳总结

2023-03-11□李朋

河北水利 2023年7期

□李朋

近年来，为优化我国水资源供给，破解水资源配置与经济社会发展需求不相适应的矛盾，国家大力推进大水网工程建设。同时随着乡村振兴战略的逐步推进，为提高农村饮水安全，全国各地积极开展农村供水保障体系建设。无论是国家大水网工程还是农村供水保障体系建设，输水管道工程是工程建设的重要组成部分。现结合工程设计实践经验，通过梳理工程实例在各设计阶段中的经验及存在的问题，从输水线路布置、建筑物布置、管道压力流量调节、管道管材管径设计、穿越工程设计以及管道安全监测、水压试验等多个方面，对长距离输水管道工程设计要点进行归纳总结，为类似工程设计与建设提供参考。

1.输水线路布置

线路布置的确定是输水管道工程在前期设计阶段主要工作之一。长距离输水管道工程线路布置具有空间跨度大、影响范围广、制约因素多等特点，因此，为确保输水线路布置的合理性及可实施性，前期设计阶段应重视对输水线路的选址、选线工作，在详细查勘调研的基础上，充分考虑工程的影响、制约因素，经综合比选确定输水线路布置。

1.1 强化与国土空间规划对接

在确定取水水源及受水目标后，即可开展总体线路规划布置。在以往工程前期设计阶段，往往主要是从技术角度出发，考虑地形、地质、施工工期、工程投资等因素的影响，进行线路布置。近年来随着城乡经济社会全面协调发展，各地区逐渐出台了国土空间规划，对城乡空间布局日益重视。因此，在前期设计阶段，应与工程所在地规划部门充分对接，通过调整优化管线布置满足当地空间总体规划，特别是穿越规划园区、规划路网、环境敏感区时，管线布置应由规划部门结合国土空间布局统一规划确定。在此基础上，由规划部门确认输水线路并出具选址意见。这样可有效提高后期设计工作效率，避免因线路布置不合理导致设计方案返工。

1.2 统筹考虑现状地貌及现有障碍物影响

输水线路应在深入进行实地踏勘和线路方案比选优化后确定。设计阶段应在实地踏勘的基础上，充分利用实测地形图、无人机航拍以及地质勘察成果，详细了解工程区地形地貌、地上及地下建（构）筑物、各类管线等其他障碍物。根据工程区地形地貌及各类既有建筑物、管线分布情况，统筹布置输水线路，一般可沿现有（规划）道路、河道方向布置。需要注意的是，根据工程实践经验，现有道路两侧往往布有高压线塔（杆）、燃气等各类管线，沿现有道路布置输水管线时，应充分考虑与现有高压线塔（杆）、管线的空间距离要求。

1.3 注重局部线路优化设计

在完成总体线路布局后，应注重局部线路优化设计，避免后期因局部线路布置不合理导致工程变更。例如，利用实测地形图，充分了解线路两侧地形地貌，避免线路紧邻河渠坑塘边缘，以防影响管道运行安全及增加施工难度；考虑到征迁难度影响，输水线路应合理躲避集中成片坟地、景观植被等，尽可能降低工程征迁实施难度。

2.建（构）筑物布置

输水管道工程建（构）筑物主要包括泵站、井室、分水口、调压调流设施等。在工程前期设计阶段，建（构）筑物设计除应满足工程技术要求外，还应注重考虑工程占地、工程运行管理的需求。

涉及到永久占地的建（构）筑物，前期设计阶段应与国土部门对接，在满足工程总体布置要求的前提下，尽量布置在非基本农田区域，避免因土地预审、土地组卷等存在问题而导致设计方案的变动。

为优化工程占地，应合理布置各井室位置。在满足工程布置要求的前提下，为减少井室布置对现有农田的影响，同时便于运行管理，应尽量将井室布置在道路两侧。距离较近的井室，可以考虑合并布置。根据阀井布置原则，检修井附近一般同时设置排气井，为节约工程占地，同时便于工程运行管理，可将紧邻的检修井、排气井合并设置为检修排气井。为满足管道检修时排空管道内水的要求，根据输水管道纵断面布置确定管线排水分区，每隔一定距离设置泄水井。泄水井位置的选择应考虑排水出路问题，尤其是大管径及排水分区较长的管线，排水量较大，泄水井的位置应根据地形地貌条件，尽量布置在现有河渠附近。

根据工程对不同工况的运行需要，往往需要在管线末端布置调压调流设施（一般设置调流阀）。以往工程多采用设置独立调流阀站的方案，同时配置电气、管理用房，管理调流阀站的运行。由于输水管线末端一般对接水厂，在管理模式允许的情况下，可通过工程对接，将末端调流阀设置在水厂厂区内，电气设备与水厂配电室结合布置，可以充分节约利用土地、减少工程投资，同时提高工程管理效率。

3.管道压力流量调节设计

长距离输水管道工程一般线路长、支线多，运行工况复杂，管道内水压力变化较大，是影响管道安全运行的主要因素。管道压力流量调节是长距离输水管道工程设计的重要课题。

前期设计阶段，应根据地形高差条件，选择有压重力输水、泵站加压输水以及重力和加压组合输水方式。在此基础上，根据供水管线布置、管道管径、管材、阀件组成及排气阀设置等参数，对不同输水流量、不同位置分水口阀门关闭和开启等多种运行工况下的管道内水力过渡过程进行模拟计算，研究确定管道压力流量调节方案。压力调节及水锤防护方案一般根据压力调节范围、水锤压力大小等因素，可采用单独设置调压塔、调流阀、排气阀以及相互组合设置等方案。适宜的管道压力流量调节方案可实现管材压力选择与流量调节时间的协调，保证工程安全，降低工程投资。

在管线分水口及末端设置调流阀是调节压力流量较为常用的方法之一。在工程运行中根据运行要求或用户用水量的变化对输水流量进行调节，控制分水流量和压力水头；当输水系统在低于管道设计输水流量下运行时，消减系统产生的富余能量；输水管道停水时，缓慢关闭调流阀，有效控制和降低系统水锤压力。同时对于大管径输水管道，调流阀宜采用多管并联布置，设计工况下同时工作，运行初期和事故工况互为备用。可大大缩短调流阀全行程有效关闭时间，使管线调度的安全性和灵活性大大增加，降低了电动执行器设计制造难度，方便了工程运行调度。

对于距离较长、沿线分水口较多、运行工况复杂且工程重要性较高的输水管道工程，结合水力过渡过程模拟计算结果，可在管道中间考虑设置调压塔，用于消减水锤压力。调压塔设计和施工中，应重点研究解决大体积混凝土施工温度控制、筒身高比例开孔率下的结构计算、筒身主体结构与外形结构后期施工变形协调等问题。根据已建工程运行效果，建成后的调压塔满足了水锤防护的要求，同时调压塔外形可结合工程所在地人文历史特点，进行仿古等个性化设计，建成后成为当地的地标建筑物。

4.长距离输水管材、管径设计

对于长距离输水工程，工程主体是管道，因此对管材、管径的选择是影响工程造价和工程运行效果的主要因素。根据工程输水流量大小、地势起伏变化情况，同时考虑内压、过流能力、施工条件等对管材、管径的影响，经综合技术经济比选，合理确定管材、管径等各项技术指标。

根据供水目标的需求，长距离输水工程一般在沿线设置多个分水口，分水口下游管道流量逐级减小。以分水口为节点，可将整体输水线路分成多个分区。根据各分区输水模式、设计流量的不同，可选择预应力钢筒混凝土管、球墨铸铁管、钢管以及PE 管等管材。根据各分区流量的不同，按照经济流速（重力自流段）或最小费用年值法（泵站加压段）确定各分区管道条数及管径。多种管材、管径和管道条数的设计，在满足工程输水要求的前提下，可节省工程投资。

长距离输水管道工程根据各分区流量不同往往选择不同的管材，同时非开挖穿越工程段管材与开挖段管材亦不同。合理确定管材之间的接口方式，是确保管道长期运行过程中密封不漏水的前提。PCCP 管道采用双密封胶圈接口，满足单接口打压进行密封试验的要求；球墨铸铁管采用T 形承插式胶圈接口及自锚式接口；钢管采用焊接接口；阀门相接处采用法兰接口；钢管与PCCP 管道、DIP 管道的连接使用专用连接管件。

一般管道采用明挖式施工，开挖断面采用梯形断面，为满足管道安装和管沟回填要求，根据管径选择不同的基槽开挖宽度。管道埋深除满足抗冻、抗冲、车辆荷载及上部耕种要求外，同时满足检修或施工后期尚未通水阶段的抗浮要求。对转弯段，转弯角度小于5°的，可采取小角度借转方式；转弯角度大于5°小于10°的，可采用弯头两端焊接直钢管满足稳定要求；转弯角度大于10°时，应采用加设支墩方式满足抗滑稳定要求。DIP 管段可充分利用管道自身特点，采用管节自锚与镇墩相结合的转点止推方案，保证安全性，提高了工程的经济性。

5.穿越工程设计

长距离输水管道工程线路长、范围广，往往不可避免需穿越铁路、公路、河渠及各类线缆等。无论是施工工期还是工程质量控制，穿越工程是输水管道工程的重要节点工程。

穿越工程设计方案应充分考虑穿越对象对输水管线穿越的角度、埋深、穿越方式等要求，经技术经济比选后选择适宜可行的穿越方案。尽量避免因穿越对象主管部门对穿越方案提出的审批意见与拟定的穿越方案不同而导致方案的返工。

穿越方式一般可采用开挖直埋、顶管、定向钻等方式。当采用顶管或定向钻等非开挖穿越方式时，应注重对穿越区域及周边地区地下各类电缆、油气管线等既有设施的调查，详细掌握现有管线的走向、埋深、管径及压力等级等主要参数指标，在此基础上，以安全空间净距为前提，对新建输水管道进行平面、纵断面布置，确保输水管线施工、运行安全。

顶管穿越工程应在充分摸清水文地质条件前提下，加强工作（接收）井结构及防渗设计，确保支护结构安全合理。定向钻穿越工程应着重研究钻孔轨迹范围内的地层地质条件变化情况，准确评估定向钻施工的难易程度，同时，定向钻上下游管线应尽量布置一定长度的直线段，以满足定向钻管道连接、回拖施工场地要求。

当一般管段采用球墨铸铁管时，开挖穿越一般公路建议采用顶管用球墨铸铁管，这样既能提高管材承压性能，又不影响与上下游球墨铸铁管的承插连接，保证了穿越段管材与穿越段上下游管材一致，避免不同管材之间的接头转换。

6.管道安全监测

长距离管道输水工程往往是受水区重要的水源干线工程，工程服务对象广、重要性高，管道运行是否安全可靠非常关键。工程设计阶段应合理开展管道安全监测设计，根据工程运行的需要，在管道起点、分水口处、管线末端等位置布设流量计、压力变送器等管道监测设施。近年来已成熟运用的无线智慧安全监测系统，包括无线数据采集设备、太阳能供电设备和数据远程无线传输设备等。

工程采用无线智慧安全监测系统，可实时在线监测管道运行状态，能够保证长距离输水管道的安全运行并及时发现事故和故障，为管线的安全运行和日常维护提供数据支持，提高了监测结果的准确性。

7.管道水压试验

根据相关规范规定，压力管道水压试验的管段长度不宜大于1.0 km。根据以往工程实践经验，对于长距离输水管道，分段水压试验长度较短，导致分段数量巨大，靠背和堵头的制作及安装、管道合拢的工作量也很大，尤其在大口径管道中，因水压试验引起工期大幅延长和费用的增加。

管道水压试验一般按《长距离输水管道整体水压试验技术规程》（DB13∕T2718-2018）执行。试验后背可选用混凝土墩墙、混凝土预制块、钢（木）桩或管线上的阀井，后背强度、刚度、稳定性满足试验压力要求，其中，稳定安全系数取1.2～1.4。当阀门作为试验段封堵板时，阀门应通过密封性和强度试验，且试验压力不低于阀门位置处的管道试验压力。

长距离输水管道工程根据线路平面、纵断面布置，沿程5 km～10 km 左右设置一座检修井。水压试验时，考虑到管道纵坡一般较缓，检修阀门井设计时同时考虑水压试验压力下的抗滑问题，因此水压试验分段一般可结合检修井，以上下游检修阀为堵板，依靠检修井为靠背，分段长度为5 km～10 km 左右。按照全段充水、分段打压的实验方案，可大大加快试验进度，减少合拢管数量，同时检验工程质量，降低了工程投资。