引水工程输水管道设计方案分析

黄小华

（江西省水利水电建设有限公司，江西 南昌 330052）

1 工程概况

两当县徐杨河引水工程是以城市供水为主的工程，供水主要对象为两当县城区、城关镇、金洞乡周边乡村的工业、农业及生活用水，设计水平年近期为2025 年，供水人口1.61 万人。设计水平年远期为2030 年，设计供水人口2.48 万人[1]。供水工程主要由取水枢纽、输水管线工程、安全贮水池、净水厂等组成，取水枢纽从徐杨河孔家沟段取水，引水至两当县城新建净水厂，以解决两当县城区的居民生活和工业等用水困难问题，为发展特色产业、增强发展能力提供水资源保障。本文主要从引水工程输水管线布置、管材比选、设计管径的大小比较以及穿管隧洞等方面进行论述。

2 输水管线布置方案比较

2.1 方案比较

杨河引水工程取水水源至县城较远，根据地形、施工、运行管理条件，输水管道选择单管加安全贮水池与双管两种方案进行比较，两方案采用同一管线。具体比选方案如下[2-3]：

表1 取水枢纽至安全贮水池输水管线布置

（1）单管+安全贮水池方案：管道布置采用单管，在末端设1 万m3安全贮水池，安全贮水池后接净水厂。单管布置，管径较大，总管材费用较小；管槽开挖量小，管线施工简单，临时占地少管线投资较小，单根管道供水保证率较低，但由于增加了安全贮水池，在管道发生事故时也可满足供水要求保证率。

（2）双管方案：管道布置采用双管，在末端接净水厂。双管布置，管径较小，总管材费用较大；管槽开挖量相对较大，临时占地多，管道投资大；采用两条管道输水，运行安全、可靠，但工程投资比单管+安全贮水池方案高。

综合比较，本次选择的输水线路从地形条件来看，均适合单管和双管布置，双管方案管径较小，但管材的用量较单管多1.7 倍，管道的投资大，而且管槽开挖量大，临时占地较大。而单管加安全贮水池方案具有运行灵活，供水保证率可满足要求等优点，投资略小，故本工程选择单管方案作为输水管线布置的推荐方案。取水枢纽至安全贮水池输水管线布置见表1。

2.2 管材的选择

本工程输水管线属长距离有压输水管线系统，根据本工程的情况，用于输水工程的管道主要考虑有球墨铸铁管、钢管、玻璃纤维增强塑料夹砂管、硬聚氯乙烯管（PVC-U 管）、改性聚氯乙烯管（PVC-M）、聚乙烯管（PE）、预应力钢筒砼管（PCCP）等。本输水管材各类管材中进行比较，并从适应水量及水压，工作压力，埋深及承受压力等要求出发，从各种管道的用途、对水质的影响，水头损失及糙率n 值，管材制作、运输及现场安装情况，管材施工难易程度，运行维修以及管材重量，管道造价及发展趋势等方面进行统计和分析比较[4]。各种管道性能价格比较见表2。

表2 各种管道性能价格比较表

综合上述七种管材，各自都有优缺点[5]，结合本工程区的地质地形条件，及本工程中管道工作压力≥1.0 MPa 的情况，从管槽开挖、管道的制造到在管槽内安装，整个土建施工程序考虑以及工程安全运行的要求、工程造价等综合因素，本工程根据管段压力及管基地质情况，分段选择不同的管材。

本工程输水管道的工作压力≥1.0 MPa，所以本工程宜不采用玻璃纤维增强塑料夹砂管、预应力钢筒砼管（PCCP）及聚乙烯（PE）管。

工作压力高达1.0 MPa 以上管段主要考虑球墨铸铁管和钢管进行比较，由于球墨铸铁管承压能力较低，管节短，接口数量多，因管段所处地段工程地质条件及水文地质条件均须做防腐处理，分析比较后钢管和球墨铸铁管每米造价接近。由于大部分管线位于河床及沟道中，受水流冲刷威胁较大，钢管整体性好，抗冲刷破坏能力较强，同时管段压力较高，而且城市供水的高保证率（P=95%）对管道的检修时间有提出相应要求，钢管和球墨铸铁管相比优势突出，综合考虑安全及经济因素，故本工程输水管道设计选用螺旋钢管。

2.3 输水管径的确定

本工程输水管道采用单管，起点高程1208.5 m，末端高程1014.96 m，管线总长25.866 km，可采用重力流自流输水。管径选择一是考虑管内流速应大于0.6 m/s，以防泥沙淤积[6]，二是管线在刘家沟与北崖沟之间需翻越两沟之间的分水岭，分水岭最低高程1297 m，高出取水枢纽处管道起点水位约90 m，比较后管线采用设穿管隧洞的方式穿越分水岭，以满足重力流输水要求。因此，本段管道水头损失不宜过大，以免穿管隧洞过长，投资过大。为满足流速大于0.6 m/s，管内径应小于400 mm。对管径D=323.9 mm、377 mm 两种进行比较。当钢管管径D=323.9 mm（外径）时，穿管隧洞长约2800 m；管径D=377mm(外径)时，穿管隧洞长1570 m。管径D=323.9 mm 穿管隧洞投资增加约415 万元，管材投资减少约200 万元，总投资增加约215 万元。因此，本段管道管径以D=377 mm（外径）为宜。穿管隧洞出口736 m 处（桩号22+610）至净水厂管道总落差约91 m，管线长3.256 km，每公里管长可用水头较大，管径选择以尽量利用水头减小管径为原则，经计算，管径D=219 mm(外径)时，本段管道水头损失约66 m，小于可用水头，输水流量满足设计要求。

3 穿管隧洞设计

管道在20+304～21+874 处布置穿管隧洞，长1.57 km，隧洞纵坡1/400。因输水线路中穿管隧洞作为最重要的建筑物之一，受地形、地质条件的影响较大，施工较为复杂，本文专门进行研究。隧洞呈城门洞型，断面尺寸按施工断面控制，隧洞净高2.0 m，顶拱呈半圆形，半径0.9 m，两侧直墙高1.1 m，底板厚0.2 m。穿管隧洞进出口均设现浇C20 钢筋砼洞脸，洞脸顶宽0.8 m，顶部设0.3 m×0.3 m 排水沟。穿管隧洞进出口设进人孔，底板侧墙厚0.3 m，顶部设预制C25 钢筋砼盖板，厚0.2 m，内尺寸1.8 m×1.8 m×3.1 m。

根据围岩岩性及类别分为两种衬砌类型：

①Ⅰ型洞：Ⅳ类围岩，围岩稳定性较差，需及时进行加固衬砌。

衬砌结构：临时支护和永久衬砌结合的结构形式。施工期临时支护结合永久衬砌顶采用系统锚杆，挂网喷砼，喷混凝土厚度为8 cm；拱顶及侧墙采用φ20 系统锚杆锚固，锚杆长2.0 m，深入岩石1.90 m，外露0.10 m，呈梅花状布置，间排距1.5 m，并设间距1.2 m 的Ⅰ12 钢拱架形式组合衬砌。

②Ⅱ型洞：Ⅴ类围岩，洞进、出口加强段，施工期临时支护，采用系统锚杆，挂网喷砼，喷混凝土厚度为15 cm；拱顶、侧墙采用φ20 系统锚杆锚固，锚杆长2.0 m，伸入岩石1.85 m，外露0.15 m，呈梅花状布置，间排距1.0 m，并设间距0.8 m 的Ⅰ12钢拱架形式组合衬砌。

穿管隧洞顶拱、侧墙为现浇C20 钢筋砼，衬砌厚度为300 mm，底板为200 mm 厚现浇C20 砼。穿管隧洞内管道每隔6 m 设一支墩，支墩与侧墙间距为0.3 m，支墩为现浇C20 砼，长0.6 m，宽0.4 m。支墩与管道间设两毡三油垫层。隧洞进出口各50 m范围内每隔10 m 设一条横向伸缩缝。

4 结论和建议

本文对杨柳河引水工程的设计、施工进行分析，结果可保证陇南市和两当县用水的可靠性和经济性，还可为以后研究长距离调水工程的技术安全性提供参考。工程实施以后，可以解决两当县县城居民、城关镇、金洞乡周边乡村共计1.6145 万人和前来两当接受红色教育等方面的游人等用水困难问题，促进当地经济和社会的发展。