某长距离大落差重力输水管线设计

王世刚

(哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司，新疆哈密市 839000)

某长距离大落差重力输水管线设计

王世刚

(哈密托实水利水电勘测设计有限责任公司，新疆哈密市 839000)

新疆哈密地区干旱缺水，水资源主要来源于天山南北坡各山溪河沟，工矿业用水点大都远离水源，分布于各水源下游的平原区。四道白杨沟水库供水工程供水线路地形大都呈现大落差、远距离，上游山前坡陡，下游逐渐平缓甚至地形隆起呈现逆坡的特点。供水管线均为重力输水，一般在上游山前陡坡段，为避免管路中水流速过大采用放大管径阀门控制流速的措施，下游采用倒虹吸管路设计。对调压井数量选择、管材及管材压力选择、倒虹吸段进口位置选择进行了多方案的设计投资比较设计。关键词：长距离；重力输水；倒虹吸；流速控制；管材压力选择

1 工程概况

伊吾县四道白杨沟水库供水工程位于哈密地区伊吾县淖毛湖镇境内，管线总长为78.9 km，管线设计流量1 736.11 m3/h。该工程将四道白杨沟水库的水通过管道输送至伊吾县淖毛湖水厂，再由水厂向淖毛湖工业园区和淖毛湖矿区供水。

根据SL252—2000《水利水电工程等级划分及洪水标准》，该工程供水对象重要性为中等，工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物及级别为3级，次要建筑物、管道附属构筑物级别为4级。

2 输水管道设计

(1) 管材选择

该工程供水管线长，落差大，全线长78.9 km，落差1 216.557 m。

根据工业供水的要求，一是对水源供水的保证率要高，二是供水管网要有很好的安全可靠性。依据文献[1]中：对单条重要的大口径输水管道，或地质条件较差、使用压力较高(1.0 MPa以上)时，宜选择钢管。当输水管道穿越河流、铁路等时宜选择钢管。对距离特别长(50 km以上)的大口径输水管道，当施工期短，或当地形起伏和使用压力变化大、地质条件变化大时，可通过技术经济比较选择组合管材。

由于本工程为工业供水，保证率要求较高且为单线输水，工作压力较大。结合本工程特点及各种管材的优缺点[2-4]，本次设计压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管。

(2) 管材的沿程水头损失计算公式及取用参数

依据文献[5]附条文说明中7.2.2-3中输配水管道、管网水力平差计算公式：

(1)

式中：L为管长，m；dj为管道内径，m；q为设计流量，m3/s；Ch为海曾-威廉系数，玻璃钢管、涂塑钢管取Ch=140。

依据管道的铺设情况，局部水头损失可取到沿程水头损失的5%～10%。结合本工程的具体情况及以往的经验[6-10]，局部水头损失取沿程水头损失的10%。

(3) 管材公称压力的确定

依据文献[1]中4.3.5:压力输水管道的公称压力应根据最大使用压力确定，其值应为最大使用压力加0.2～0.4 MPa安全余量，当选用非金属管材时，安全余量可根据经验适当放大。输水管道的最大使用压力，应经过水锤计算确定。

依据文献[1]中6.1.4：水锤防护设计应保证管道最大水锤压力不超过1.3～1.5倍最大工作压力。

依据以上原则，确定管材公称压力。玻璃钢管：管材公称压力=1.5×最大工作压力+0.4 MPa；涂塑钢管：管材公称压力=1.5×最大工作压力+0.2 MPa。

3 输水管道设计方案

四道白杨沟水库供水管线全长78.879 km，起点0+000 m处高程1 888.772 m，末端78+900 m处高程672.215 m，最低点60+200 m处高程570.747 m。管线地面最大落差为1 318.025 m，始末两端地面落差1 216.557 m，最低点至管道末端有101.468 m的逆坡，由于该管线落差较大，输水方式采用重力输水，逆坡段采用倒虹吸。

3.1 倒虹吸段进口位置选择

该管线落差较大，最大落差1 318.025 m，输水方式采用重力输水，且需设置调压井进行减压，由于60+200 m～78+900 m段为逆坡，落差101.468 m，为保证重力输水将水送至末端，该段采用倒虹吸设计[11-15]，对倒虹吸进口位置设置进行比较。

方案比较管材选择：压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管。

(1) 由于48+400 m处高程与末端相同，为检修方便48+400 m以上考虑设检修井，最大使用压力为静压，48+400 m以后为动压。

(2) 倒虹吸进口以后最大使用压力均按动压考虑，不设置阀井。

以上各方案比较结果见表1。

表1 倒虹吸段进口设置不同位置比较结果表

(3) 比较结果：48+400 m以上考虑设检修井，最大使用压力为静压，48+400 m以后为动压时，倒虹吸进口设置在36+000 m处投资最为经济，投资为7 085.45万元；倒虹吸进口以后最大使用压力均按动压考虑，不设检修井时，倒虹吸进口设置在36+000 m处投资最为经济，投资为6 996.76万元，本次设计将倒虹吸进口位置设置在36+000 m处。

48+000 m以上考虑设检修井，为检修方便，检修时36+000 m～48+000 m段管内水量不需放空，最大使用压力需按静压设计，最大计算压力3.1 MPa；36+000 m处倒虹吸进口以后最大使用压力均按动压考虑，不设检修井，最大计算压力2.5 MPa，检修时36+000 m～48+000 m段管内水量需放空，该段管内水量为3 261.6 m3。经综合考虑，检修不是经常发生，检修时36+000 m～48+000 m段管内需放空水量不是很大，两方案相比投资相差88.7万元。

所以本次设计选择将倒虹吸进口设置在36+000 m处。36+000 m至末端最大使用压力按动压设计，不设检修井。

(4) 36+000 m～78+900 m段管径组合比较：根据确定的倒虹吸进口位置36+000 m处，36+000 m至末端不设检修井、最大使用压力按动压设计、对36+000 m～78+900 m段管径组合进行比较，压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管。

方案1：36+000 m～39+300 m段采用DN600纯玻璃钢管、39+300m～ 45+000 m段采用D630涂塑钢管、45+000 m～57+450 m段采用D529的涂塑钢管、57+450 m～69+400 m段采用D630的涂塑钢管、69+400 m～78+900 m段采用DN700纯玻璃钢管。

方案2：36+000 m～39+300 m段采用DN600纯玻璃钢管、39+300 m～45+000 m段采用D630涂塑钢管、45+000 m～59+550 m段采用D529的涂塑钢管、59+550 m～68+700 m段采用D630的涂塑钢管、68+700 m～78+879 m段采用DN800纯玻璃钢管。

7.1.1 应实施供应商管理制度，建立供应商评估档案。供应商应经过相关负责人审核和批准，并定期对供应商进行评估；对高风险产品的供应商实施现场评估。

方案3：36+000 m～39+300 m段采用DN600纯玻璃钢管、39+300 m～51+700 m段采用D630涂塑钢管、51+750 m～60+200 m段采用D529涂塑钢管、60+200 m～72+763 m段采用D630涂塑钢管、72+763 m～78+900 m段采用DN600纯玻璃钢管。

方案4：36+000 m～38+900 m段采用DN700纯玻璃钢管、38+900 m～51+550 m段采用D630涂塑钢管、51+550 m～59+600 m段采用D529涂塑钢管、59+600 m～73+400 m段采用D630涂塑钢管、73+400 m～77+650 m段采用DN600纯玻璃钢管、77+650 m～78+900 m段采用DN500纯玻璃钢管。

经比较：方案1管径组合方案投资最为经济，本此设计36+000 m～78+879 m段管径采用该方案组合方式。各种管径组合比较结果见表2。

表2 各种管径组合比较结果表

(5) 管材比较：36+000 m～78+900 m段全部采用涂塑钢管方案，投资4 740.67万元；压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管方案，投资为4 197.25万元。两方案投资相差543.42万元。经综合考虑，本次设计36+000 m～78+879 m段采用管材为：压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管。

3.2 前36 km调压井数量及管材选择

根据确定的最后一座调压井位置36+000 m处，0+000 m至36+000 m落差为1021.52 m，平均纵坡为1/35，落差较大需设置调压井进行减压，根据落差大小对调压井设置数量进行比较。

管材选择：方案1全部采用涂塑钢管；方案2,由于0+000 m～10+000 m段地形起伏变化较大，该段管材均采用涂塑钢管，其余部分管材压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管。以上各方案比较结果见表3。

表3 调压井设置数量及管材选择投资结果表

对设置不同数量的调压井进行比较，比较结果为：设置6、7、8座调压井，投资均相差不大。经综合考虑，为运行管理方便，本次设计采用设置6座调压井方案(方案3)。方案3管材均采用涂塑钢管比采用纯玻璃钢管+涂塑钢管组合方案，投资152.71余万元。

本次设计采用设置调压井数量为6座， 0+000 m～10+850 m段采用涂塑钢管，10+850 m～36+000 m段管材压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管。

3.3 管道设计结果

根据以上各方案比较结果，选定方案为：倒虹吸进口位置设置在36+000 m，36+000 m～78+900 m段最大使用压力按动压设计，管材压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管。0+000 m～36+000 m段设置6座调压井,最大使用压力按静压设计，0+000 m～10+850 m段全部采用涂塑钢管，10+850 m～36+000 m段管材压力小于1.0 MPa的采用纯玻璃钢管，压力大于1.0 MPa的采用涂塑钢管[17-19]。选定方案纵断面见图1。

图1 选定方案纵断面图

4 结 语

此文章论述了大落差、远距离，上游山前坡陡，下游逆坡的重力输水设计，上游山前陡坡段，为避免管路中水流速过大采用放大管径阀门控制流速的措施，下游逆坡段采用倒虹吸管路设计。对调压井数量选择、管材及管材压力选择、倒虹吸段进口位置选择进行了多方案比较设计。

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Design of Long-distance Big-drop Water Transmission Pipeline with

WANG Shigang

(Hami Tuoshi Water Resources and Hydropower Investigation and Design Co., Ltd., Hami, Xinjiang 839000,China)

Hami Prefecture, Xinjiang Uyghur Autonomous Region, is drought and lack of water. Water resources in this prefectrue are from creeks and rivers in both south and north slopes of Tianshan Mountain. Water consumption locations by industry and mining are far away from water sources, they mostly distribute in plain areas at downstream of those water sources. Topography where the water supply route of the water supply project from Sidao Baiyanggou reservoir lays features big drop, long distance, steep slope in front of mountain at upstream and gentle slope even rise slope forming inverted slope at downstream. The water supply pipeline is of the one by gravity. Generally, pipe with large diameter is selected and valve is installed to avoid the high velocity in the pipeline at the steep slope section in front of mountain at upstream. At downstream, the inverted siphon pipeline is designed. Quantity of surge shaft, pipe materials, material pressure, inlet location of inverted siphon section are designed in term of investment comparison. Key words: long distance; water transmission by gravity; inverted siphon; velocity control; pipe pressure selection

1006—2610(2016)06—0044—04

2016-08-29

王世刚 (1980- )，男，黑龙江省绥化市人，工程师，主要从事农田水利设计工作.

TU991;TV672.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.011