远距离大口径压力输水管线工程设计要点浅析

宣炜

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海 200092

1 远距离大口径压力输水工程的特点

远距离大口径压力输水工程是城市供水系统中的一个重要组成部分,由于是压力输水，管道敷设受地形条件限制较小，管道可以穿越河流、铁路、公路等障碍物将水输送至目的地，工程应用较广。其主要特点是管线长、规模大、高扬程、多级提升、沿线地形复杂、投资费用大、水锤威胁较为严重、安全稳定性要求高。其建设和运营需要投入大量的资金，施工周期长，因此对其设计要点进行必要的分析和探讨，无论从社会效益，还是从经济效益上讲都是很有必要的。

2 管道根数的确定

输水管线根数的选择，应视管道输水能力；近远期的供水量规划；线路长度；施工条件及备用水源情况等因素，经综合经济比较确定。例如我院设计的青草沙金海、南汇支线工程中，由于输水规模大，沿线受水厂众多，且金海水厂没有就地应急水源，若采用单管输水，一旦发生管道事故时，对水厂的正常供水将产生重大的影响。因此采用双管供水，并设置必要的联络管以保证事故时70%供水量的要求。

3 管道走向的确定

管道走向的选择，是确定设计方案的关键所在，决定了整个设计的合理性、工程的造价及施工的难易程度。由于线路长，沿线牵涉面广，在工程前期应进行大量的现场踏勘及相关用地协调工作，落实管位，在沿线地下管线复杂的城市区域可安排进行必要的地下管线物探，使得走向方案具备可实施性，以免在工程实施过程中频繁的改动管位，不利于对工期及工程造价的控制。通过相关输水工程的设计和施工配合工作，总结出以下几点选线原则。

(1)符合城市总体规划及管道规划布局要求,布置管线时尽量缩短管线,但不一定最短就最好,要综合考虑。

(2)应尽可能减小与各种障碍物及其他工程的相互影响，如遇河流、铁路、公路以及地质条件不利的地段则需进行防护。

(3)尽量避免拆迁建筑物和占用农田，以降低工程投资。

(4)布线时水力条件好，管理方便，电耗低。

(5)管线应尽量沿现状或规划道路埋设，以便于将来维护管理(抢修、放水)。

(6)为防止土壤对金属管道的腐蚀,应避免通过土壤腐蚀性大,导电率高的地段。

(7)在方案设计阶段应将施工因素充分考虑到,保证设计的合理性。

从上述原则可以看出，选线时应本着技术上安全可靠、节约能耗、降低投资、便于施工和运营维护的原则出发,并根据技术条件，综合考虑，多方案比较，以求达到合理。

4 管材的比选

在远距离压力输水工程中管道占投资的比重较大，因此管材的比选对节省投资、方便施工、安全运行意义很大。目前我国生产使用的适用于大口径承压输水的管材主要有钢管（SP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢夹砂管（RPMP）和球墨铸铁管（DIP）。因此，将围绕上述四种管材就以下几个方面做技术经济比选。

4.1 材料物理性能

钢管强度高，具有良好的韧性，根据使用要求设计不同的管壁厚度，耐压能力可大于2MPa，抗拉强度大于420MPa，管道内外承压能力高；球墨铸铁管耐压能力一般为2MPa，承压能力较钢管稍差，抗拉强度大于420MPa，与钢管相同。预应力钢筒混凝土管耐压能力为3MPa，可承受较高的内外压力；玻璃钢夹砂管为薄壁弹性管，承受外压的能力较弱，其环刚度为主要控制指标。一般埋地管环刚度采用5000～7500N/m，特殊地段（穿越公路等）需采用10000N/m。

4.2 水力条件

大口径输水管由于其流量大、距离长，输水能耗较大,在保证输水的安全可靠的前提下，应优先选择水力条件好的管材,以节约运行成本。管壁粗糙度对减小水流阻力，降低水头损失有着重要作用。钢管和球墨铸铁管的管壁粗糙系数n值为0.013,预应力钢筒混凝土管的管壁粗糙系数n值为0.011,玻璃钢夹砂管的管壁粗糙系数n值为0.009。可见玻璃钢夹砂管水力条件最好，预应力钢筒混凝土管其次，其他2种管材相当。

4.3 耐腐蚀性能

钢管的耐腐蚀能力较差，内外壁需做除锈和防腐处理，除锈和防腐层施工质量的好坏，对使用年限有较大影响，埋管土壤腐蚀性高时需配合进行电化学保护，以提高防腐能力；球墨铸铁管采用水泥砂浆衬里，管道外壁喷锌并涂煤沥青，其成品具有良好的防腐性能；预应力钢筒混凝土管内部嵌置一层1.5mm厚钢筒，在管芯上缠绕环向预应力钢丝，并在其外部喷水泥砂浆保护层，因此不需作内外壁防腐处理。玻璃钢夹砂管由于其管材本身具有优良的耐腐蚀性，也不需作任何防腐处理。

4.4 施工适应性

钢管施工时通常采用焊接刚性接口，可用于开槽埋管施工和顶管施工，施工时按规范焊接，可确保管道严密，但接口焊接时间较长，其适应地形能力最强，一般不需做管道基础处理，对沟槽回填要求较低，管配件种类多。球墨铸铁管施工时常用接口形式有滑入式（T型）柔性接口、机械式（K型）柔性接口、法兰型接口等，目前输水管中常用滑入式（T型）柔性接口，具有结构简单，安装方便快速，密封性较好等特点，球墨管配件种类较多，适用于开槽埋管施工。预应力钢筒混凝土管采用承插柔性接口，其中大口径PCCP管采用双O型橡胶圈止水，密封性能高，每道接口可单独试压，其重量为几种管材之最，施工运输成本较高，安装时需要大型起吊设备，弯头等管配件需用钢制管件替代，适用于开槽埋管施工。玻璃钢夹砂管为柔性接口，施工时对基础处理及回填要求较高，地形适应能力较差，其管配件较少。以上几种管材除钢管外，均需在转弯处设置支墩等止推设施，以防接口脱出。

4.5 工程造价

根据相应材料价格及工程费用，钢管、预应力钢筒混凝土管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管这四种管材的单位长度工程造价见图1（比较时按开槽埋管施工考虑）。

图1 管材单位长度造价比较

4.6 综合比选

管材的选择一般要根据工程的规模，管道的工作压力，各种管材的特点，口径适应范围、造价、施工条件、管道制造供货等方面综合考虑，合理地选择管材。每项工程都具有自身的特殊性,因此管材选用须有较强的针对性，同一工程中根据沿线不同的情况可选用不同的管材。如我院设计的萧山东部区域供水工程，设计规模为70万吨/日，采用一根DN2800管道，通过对各种管材进行技术经济比较，结合当地管材生产供应情况后，决定在地质条件较好的直线段上采用PCCP管敷设，在地质条件差的线路上、管道较大转弯处或者穿越障碍物时，使用钢管。

5 管道穿越障碍物的措施

由于远距离管道铺设中必然会遇到各种障碍物，如河流、铁路、公路、立交、大型市政设施等，因此必须辅之以相应工程穿过或跨越。

（1）倒虹及管桥

管道穿越河道时，一般可采用倒虹或者管桥。首先应考虑利用已有跨越构筑物设置管桥的可能，如已建的桥梁等，必须新建管线跨越设施时，应根据河道断面特点，水文地质情况和施工条件等因素而定。

一般说来，对于水位较浅，且冲刷不严重的河流，为避免建成后对河道的通航、景观等造成影响，宜采用倒虹管；如考虑便于运行维护，在满足通航、景观要求的前提下，也可采用管桥方案。

（2）顶管

当遇到难以开挖施工或者重要的障碍物时，常采用顶管，如河道宽且通航要求高、重要道路、轨道交通等。根据环境条件限制的情况，施工时可采用直线顶管和曲线顶管2种方案。

（3）管道外加保护措施

当管道穿越铁路、重要公路、立交、大型电力隧道、高压燃气管道等重要设施时，为避免影响正常交通及确保相关设施的安全运行，根据相关法规、行业规范及规定的要求，可采用管道外包混凝土或在管道外设置箱涵、套管的方式穿越。

6 经济管径的确定

经济管径的确定,对输水工程的合理性和工程总造价的控制至关重要。在确定了设计方案和管材后,可确定经济管径。经济管径分析计算的方法种类很多，根据我院的工程实践，目前常采用最低成本法，即总投资现值比较法，计算确定经济管径,具体原则如下：

（1）总投资现值＝年经营成本换算为现值+投资现值，即Pw＝A（P/A，i，n）+P

式中：P－投资现值，即管道铺设总费用（万元）；

A－年经营成本，以运行电费计（万元/年）。

（2）收益率取8%，计算年限n取20年。

（3）管道铺设总费用，包括管材费、制作费、运输费、内外壁防腐费（指钢管）、施工费和绿化赔偿费等。

（4）水量按管段的折扣水量计算。

（5）运行电耗计算，采用最高日、平均日、最低日水量分段计算，以尽量反映实际运行电耗。

（6）水量的计算原则考虑供水水量的逐步增加，建成后前10年按总规模的80%，后10年按总规模的100%考虑。

7 管道水锤防护措施

远距离压力输水工程由于管线长、压力高、流量大，管中流速一般较大，容易发生水锤事故。水锤发生的诱因主要是水泵机组突然失电停车、阀门误动作。其主要特点是管道内压力急剧变化、易发生爆管等事故。工程设计时，可根据水力计算和水锤模拟的结果采取相应保护措施，主要分为正压防护和负压防护2种，常用以下几种方式：

（1）双向调压塔

双向调压塔既可防止管路的负压破坏，也能防止管路的正压破坏。其防护性能最好，被动调节，无需人工干预，造价高、经济性较差，地形合适可以选用。但对于高扬程输水系统而言，由于运行水压较高，如果采用调压塔防护塔的高度往往需要很高，设置调压塔可能是不经济的，易受地形影响。

（2）单向调压塔

主要用于防护负压破坏，对于正水锤没有防护作用。正常运行时，止回阀关闭，单向塔与主管道隔离，因此与普通双向调压塔相比，单向塔的高度可以大大降低。当管道中的压力低于单向塔正常水位时，止回阀迅速打开，通过短管向主管道补水，抑制管道中出现负压。设置于输水管道驼峰等容易产生负压的区域。长距离输水工程如果采用单向塔防护，通常需要多塔联用。

（3）设置空气阀

空气阀通过正压工况下的快速排气和负压工况下的快速进气，可用于正压防护和负压防护。管线正常运行时也可排出管中有害气囊(微量排气)。空气阀选型时，宜取输水管道直径的1/8～1/5，或经计算确定，有效排气直径不得小于其公称通径的70%。空气阀的布置主要根据管路纵断面高程情况或经水锤防护计算确定，在管道高点、长上、下坡管段处，长水平管段处均需布置，管道最大允许负压对空气阀的布置与数量至关重要。

（4）超压泄压阀

根据管路系统的工作压力自动启闭，当管道内压力超过泄压阀设定压力时，自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下。直径可取输水管道直径的1/5～1/4。

（5）优化阀门关闭规律

采用两段折线关闭规律代替一段直线关闭规律，两段折线关闭规律一般采用“先快后慢”，可根据要求确定各阶段关闭时间。

设计时通过多措施联合水锤防护，可为输水管线的安全运行提供有效的保障。

8 结语

远距离输水管线工程在供水系统中占有相当重要的地位，设计不合理容易引起工程事故，造成重大损失。因此如何制定技术可行、经济合理、安全可靠的设计方案，是摆在工程设计人员面前的重要课题。本文通过对该类工程设计要点的介绍，希望能对相似工程的设计提供一些帮助。

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