长距离有压重力流输水在供水工程中的设计及应用

张生财

（吐鲁番地区水利水电勘测设计研究院 新疆吐鲁番市 838000）

1 前言

吐鲁番地区托克逊县是古丝绸之路重镇之一，县内资源宝藏得天独厚，素有“天然聚宝盆”之称。现已发现矿产 33种，优质矿产有煤炭、膨润土、蒙皂石、大理石、花岗岩等，其中煤炭最为丰富，储量在 50亿吨以上；蒙皂石为世界罕见的贵重非金属矿产品，属国内首次发现；膨润土储量为1.148亿吨，是目前国内发现的第二大矿。

托克逊县能源重化工工业园区是 2006年经自治区人民政府批准设立的省级工业园区，工业园区是发展工业的重要载体，是推进工业化的重要平台，是托克逊县招商引资的现实需要。通过工业园区的聚集效应，发挥工业园区在政策环境、管理和基础设施等方面的整体优势与功能，充分发展规模经济，加速托克逊县工业化建设步伐，实现其工业强县的目标，提高该县全民经济实力。

2008年底，随着县域工业的发展，全部工业企业进驻该工业园区。为改善园区供水状况，加快园区供水步伐，决定从红山水库铺设管道向工业园区供水。该项目的实施将为托克逊县工业园区供水提供有力保障，此项目的建设符合吐鲁番地区水资源可持续利用政策，也符合托克逊县发展规划。供水工程实施将促进托克逊县工业园区健康、快速发展，也为该县工业强县的总目标提供水保障，因此本项目实施具有充分的必要性和重大的现实意义。

2 工程项目区域地理环境

托克逊县北有博格达山，西为喀拉乌成山，东部倾向艾丁湖，南部区域为干燥的库鲁塔格山，博尔托乌拉山的余脉觉罗塔格山横切区域中部，因而区域内形成吐鲁番盆地的托克逊平原和库米什盆地，总体地势西、北、南三面高，逐渐向东倾斜，呈三面环山，东部低平的簸箕状地形。

工程总体地貌表现为：引水渠道的工程地质勘察，西起红山水库隧洞出口，东至托克逊县工业园区，本次勘察根据路线经过地段的地质条件和地貌单元共划分为以下五段：

（1）山区地段桩号0＋000～8＋500，该地段地质为Ⅳ级阶地边缘与顶部地带、Ⅴ级阶地坡脚地带，为冲积卵石层,厚 1.0-4.0m,钙质胶结,中等密实，属强透水层,承载力R＝0.30～0.35MPa，无地下水。

（2）戈壁滩地段桩号 8＋800～19＋900，该地段地质为Ⅱ～Ⅳ级阶地，阶面平坦、开阔，自然边坡稳定，局部地表覆盖有风积砂细砂,大部为冲积卵砾石层，钙质胶结，结构密实，局部地表为盐质胶结，形成盐壳，砾石层承载力R＝0.25～0.30Mpa，无地下水干扰。

（3）雅丹地貌段桩号 19＋900～22＋400，该段地质为地势较平坦、开阔，风蚀现象严重。岩性单一，为第四系粉土，厚度较大，土质不均、无层理，摇振反应中等，无光泽，干强度低，韧性低，属中压缩性、不饱和土，不具湿陷性。结构中等密实，承载力 R＝0.16～0.18MPa,该段无地下水。

（4）绿洲段桩号22＋400～31＋300，该段地质为农田与草地，地势较平坦、开阔，附近有公路和简易公路，交通方便。地表为粉质粘土，厚度 0.2～3.0m，土质不均，中等密实。地基岩性为冲积细砂，中密，承载力R＝0.18～0.20MPa，地下水位埋深较浅，为0.6～2.8m。

（5）东部戈壁滩地段桩号 31＋300～工业园区，该地段地质为Ⅲ级阶地，阶面平坦、开阔，自然边坡稳定。该段岩性较单一，为冲积砾石层，钙质胶结，结构密实，局部地表为盐质胶结，形成盐壳，砾石层承载力R＝0.25～0.30Mpa。

从本工程沿线来看，地形表现为两端高中间低，起始点（红山水库出口处）高程为358.50m，工程末端（水厂）高程为120.30m，中间最低点为 76.28m。起始点至末端高差为 238.2m，起始点至管线最低点高差为282.22m。

3 工程方案选择

3.1 引水方式的选择

引水方式比选：

红山水库至工业园区规划水厂地形表现为两端高中间低，起始端红山水库出水口高程为358.5m，末端规划水厂高程为120.30m，中间最低点高程为 76.28m，该地形采用渠道明流无法实现，故本工程采用压力管道输水。

3.2 线路选择

通过现场踏勘，初步确定两条线路，两条线路的基本情况如下：

第一条线路：供水从红山水库引出后，管线沿柯尔碱公路向东出红山山区后，沿直线到达工业园区。该方案管线总长 36.6km，须穿越托克逊县作物主要种植区，侵占耕地254.9亩；且两次穿越白杨河和一处村庄，该工程方案投资为4541.9万元。

第二条线路：供水从红山水库引出后，沿柯尔碱公路向东出红山山区后，再向南直线穿越戈壁滩和托克逊县草场区，然后向东南穿出托克逊县博斯坦乡农业耕作区，再向东南直线到达规划水厂处，该方案管线总长38km，侵占耕地93亩，该工程方案投资为4318.2万元。

从工程投资、技术、施工及工期等方面综合考虑，本工程推荐第二条线路。

3.3 管材选择

本工程对混凝土预应力管、球墨铸铁管，玻璃钢管三种管材从经济、技术、运行管理等方面进行比较。详见表1。

表1 管材综合指标比较表

根据分析，本工程推荐采用玻璃钢管。

4 工程方案设计

4.1 工程规模

根据新疆伊泰资源开发有限责任公司于托克逊县政府签定的“托克逊县工业园区供水工程项目协议书”，工程年引水量为3500万m3，水厂年净化水量为300万m3。

4.2 工程设计

4.2.1 工程引水口设计

工程从红山水库新放水洞口引水，该放水洞为城门洞形无压隧洞，放水洞出山体后改为明渠。本工程在引水口处采用明渠、管道双层布置，管道埋设在明渠下方 0.8m处，园区引水由管道输送，农业灌溉用水从明渠输送。

引水口处设一深度为 2m，长 8m的前池，管道入口于前池联通。因本工程冬季有过水需要，故将前池加设盖板，为增加消力池处的抗冻效果，将前池后的 45m明渠改造为暗渠。为管道检修方便，暗渠为分离式，

4.3 管道设计

红山水库至园区规划水厂为压力管道，总长38km，本工程管径取0.8m玻璃钢管。

4.4 管道附属建筑物设计

（1）控制阀

本段管道长度为 38km，为检修方便，在管线低洼处(平均距离5km）设一控制阀和排空管，控制阀为 DN800的手动钢制蝶阀；排空管为DN250PVC管道，排空管进水口处设一 DN250手动蝶阀。工程沿线地势开阔，排空管引出地面即可。

（2）进排气井

根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS193－2005），压力输水管道上的隆起点及每隔 1km应设一进气排气阀；进气排气阀的口径为输水管道直径的 1/12～1/8。本段管道在管道隆起点及每隔800m处设一进气排气阀，进排气阀口径为100mm。

（3）稳压减压阀

根据水厂水处理设备压力需要和减少工程投资的目的，本工程在桩号 5+300、9+500、13+300、18+600和37+350五处设稳压减压阀。

（4）镇墩

为保证管道稳定，在管道转弯、控制阀及间隔 1km处设混凝土镇墩，镇墩应包围住管件。镇墩采用C20三级配混凝土，镇墩长×宽×高为2.5m×3.0m×2.5m。

4.5 管道交叉建筑物设计

（1）穿越渠道

本段管道在桩号 1+041、19+538、19+902、20+176、23+550、23+850、24+882、27+060、29+209、29+792、30+685、32+050和 34+700九处穿渠道，穿越渠道时，应在上述渠道无水时施工，拆除渠道衬砌，管道铺设后，尽快恢复原渠。

（2）穿越道路

本工程在桩号24+882、27+944、29+209和30+685四处穿越公路，管道在穿越公路时，应先修交通便道，以保证交通畅通，然后破穿道路。为保证公路段管道正常运行和今后维修方便，此处管道加设套管。套管为内径 1.3m的钢筋混凝土管，钢筋混凝土管承受外压60t，管道铺设后，尽快恢复原路面。

（3）穿越坎尔井

本段管道在桩号 21+079、21+472、33+928三处穿越坎尔井，由于坎尔井埋深较大，本工程对坎尔井输水洞无影响，但桩号 21+472处管线距坎尔井竖井口较近，需对竖井口加固处理。

（4）穿越河沟

本段管道在桩号32+050和34+700处穿越河道，由于河道深度不大，管道由河床下2m处通过，管道下游修建浆砌石防冲墙，防冲墙深度取2.8m。防冲墙采用重力式挡墙、浆砌卵石结构，墙顶宽0.5m，底宽1.3m。

5 工程设计特点

5.1 安全、可靠的线路保护设施

本工程的特点是输水管线距离长，地形起伏较大，且全线为有压重力自流输水，管线承受最大静水压力为282.22m，但输水的起点和终点的有效作用水头只有238.20m，这些不利因素对管线全线通水、安全运行带来诸多不利因素。针对这些不利因素采取以下技术措施予以消除：

管道中气体的产生因素很多，管道在充水时留下的大量气囊外，因压力、温度变化引起的水中溶解气释放，突然快速关闭闸阀引起管道局部真空致使管道从排气阀吸气等也造成管线集气；常见的集气产生在管道的凸起点，渐变段和折弯点及不全开的阀门等处。管道内存在空气可能产生以下危害：降低过流量，在重力流管道中，极端情况下会导致输水中断；可能加剧水锤破坏；可能导致管道末端的供水压力不足，输水量降低；寄存的空气可能导致管道或设备腐蚀，大大缩短了管道和设备的使用寿命。管道负压通常是由于突然快速关闭闸阀和管道泄水引起，负压对管道造成的破坏有时比正压要大得多，严重时会造成管道吸瘪。在管道上安装自动进排气阀是目前解决输水管道进排气的有效手段。

5.2 安全可靠的工艺技术、新设备和新材料的应用

实现长距离无泵站输水，完全靠水源地和目的地之间的地形高差，本工程地形和地址条件较为复杂，全长为38km，全线采用有压重力自流输水，由于输水管线选线合理，管线保护设施设计合理，实现了管线的安全、可靠和经济的目的。

本工程在设计中，根据不同的输水管段、排气特点，安装了共计约50个自动进排气阀。通过对管线各种工况下可能产生的水击和静、动水压力分析，在不同位置安装了5个稳压减压阀，以确保管线安全、可靠和经济的运行。

本工程是该县工业园区的供水生命线，输水管线所经地质条件复杂，坡度陡，这就要求供水管线管材具有较好弹性敷设性能且安装方便，造价合理，因此经过比选，选择管材为玻璃钢管。

5.3 交叉建筑物设施

输水管线所经地质条件复杂，坡度陡、拐角多，穿越的河流、道路众多，如何做好输水管线的附属设施的设计工作，是确保其安全运行、正常供水的关键。具体的交叉建筑物设计详见 4.5节的设计。

6 结论与建议

重力有压输水受地形条件的制约较大，线路走向选择上应避免管线静压过大，管线承压过高；避免管线铺设在水利迫降线以上，造成管线产生负压。

管线在山区内铺设段，为满足管线自然弹性铺设要求，避免大开挖，线路尽可能沿山间的洼地走，沿自然等高线铺设。

有压重力输水工艺，管线承受的最大压力为静水压力，因此在输水线路选择和管线材质选择中，静水压力是重要的考虑因素，因此为降低管线承受静压，降低管线造价，尽可能沿较高的等高线选线。

做好线路的附属设施的设计，保证管线的安全运行，水锤防护，进排气保护。

1 王振业. 浅谈长距离输水管线在设计中应注意的问题.中华建设科技, 2012,(2).

2 徐大伟, 彭怡. 长距离大高差有压重力流原水输水管道改扩建设计.给水排水, 2012(10).

3 刘向荣, 输水管设计中的负压问题探讨[J]. 山西建筑,2007(26).