长距离输水管道配套建筑物存在的突出问题与对策

杨辉琴，李 江

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

长距离输水管道工程在我国重大水资源配置中及基础设施领域涉及民生方面发挥着越来越大的作用，如“南水北调”工程的规划建设，使得水资源实现了大区域调度，完成了国家水网“三纵四横”的总布局以及水资源“南北调配、东西互济”的配置格局[1]，为工程沿线区域发展带来了难以估量的社会、经济和生态效益；新疆喀什市饮水安全工程，总供水管道长度达2000km，解决了喀什一市四县近百万人口饮用苦咸水的问题，极大改善和提升了当地民众的生活质量[2-3]。

长距离输水管道工程具有水量损失小、污染程度低、管道铺设不受地形影响、工程施工相对简单、运行管理方便等诸多优点，但也存在着工程造价高、事故突发时造成人员、财产损失较大等缺点，所以管道运行安全及工程造价一直也是管道设计、生产及运行管理中最需重视的问题。大家关注的焦点集中在管材选择、管道水锤分析、管道水力学计算及管道防腐设计等突出问题上，管道配套建筑物的设计和维护却一直为人忽视，长输管道工程中设置的各类防护和检修阀都需要设置阀井，过渠、穿路、跨越大江、大河或与燃气、石油、排污管道交叉都需设置一定设施保证运行安全，近几年新疆地区长距离管道供水工程中主要配套建筑物的统计数据见表1，从表1中可以看出配套建筑物不仅种类多、数量多，同时在工程运行中也承担着重要任务，同样会对工程的工期、安全运行或造价产生重要影响。

2 配套建筑物及存在问题

2.1 各类阀井(房)及存在问题

为保障长输管道工程运行安全，管线设计中常常要采用各类阀门，如进排气阀、隔断阀、放空阀、消能阀、水锤罐及调压塔等，为保证阀体的使用寿命和安全需为各类阀体设置不同类型的阀井(房)，据统计，工程中每公里的各类阀井(房)数量均在3～9个，见表1，管道越长数量也就越多工程量也就越大。阀井房最大的问题是结构设计与运行管理脱节，例如在长输管道上使用最多的进排气阀，它是管道运行最基础、最关键的防护设施，在管道泄空时会大量地补气，初次充水时又会大量地排气，但是缺乏经验的设计者往往忽略了阀井(房)的通风设计，造成补气量不够，空气阀运行过程中会发出啸叫，宁夏某供水工程进排气阀房曾发生将大门吸到阀体上的事故，对运行安全十分不利甚至危及运行人员的生命安全。又如长输管道工程中常用的蝶阀，特别是大口径工程中采用的阀体直径大重量大，在进行检修时阀井内没有设吊环或吊轨，必须将阀井顶盖拆除，用吊车等协助检修，耗时耗力，增加维修成本。其次，阀井(房)设计与环境不适应，在北方地区特别是长距离供水工程中面临的最大问题是阀井的冬季保温，南疆某供水工程虽处于寒冷地区，但冬季运行过程中就发生了排气阀结冰不能运行问题，同样的问题也在辽宁某供水工程中发生[4]。有的阀房未考虑地下水及腐蚀性问题，工程仅运行几年就发生井壁混凝土剥离、开裂，阀井进水，影响管道正常运行和安全，增大了维护费用。

表1 新疆部分管道供水工程配套建筑物数量统计表

2.2 穿越及交叉建筑物及存在问题

长距离输水管道在布置中不可避免的要与沿线各类交通、水利、燃气、供水、排污、通讯设施发生交叉穿越，看似简单的交叉问题却因设计中考虑不周或相互沟通不到位，造成工程工期延后、增大工程费用甚至对相邻建筑物留下安全隐患。在长输管道规划设计中没有和当地交通或其他规划部门沟通，管线施工到某地时发现已开工有其他设施需绕行，造成线路调整、工期延后。如和田市城乡一体化供水工程在线路布置中就因为土地权属问题多次调线避让文物保护区及军事管理区，最终改变了取水点的位置工程才得以顺利继续进行[5]。长输管道工程穿越大型交通设施时(如铁路、高速公路)未考虑远期工程结合问题致使预留的涵管的空间位置不足。另外对于重要交通、石油线路穿越过程中往往忽略设置截断设施及排水出路设计，就造成了检修困难或事故时危及重要设施安全。还有的模式化设计、照搬照抄，没有针对实际，只要遇路就挖、遇渠就跨或都是盖板涵或顶管型式，造成工程投资过高等问题。

2.3 过洪建筑物及存在问题

长距离供水工程中，管线在穿越沟谷、河道时必须要进行管道的防护处理，各种过洪建筑物的设计型式对管道的安全、工程造价及运行维护有至关重要的作用。目前，管道过洪沟、河道采用地埋型式比较多，设计中对过洪建筑物重视不够，未沿线洪水实际调查或修建防洪堤等建筑物时为减小工程量任意归并洪水而不考虑下游建筑物的承受能力，致使管道在洪水期时常被冲出、冲毁甚至归并洪水将下游设施冲毁的事故时有发生，造成运行管理费用增加和下游设施、人员安全损失。还有工程跨河托管桥或桁架桥没有考虑设置检修巡视通道，造成工程后期运行维护不便。

2.4 镇墩及存在问题

长输管道工程中的镇墩分为水平、竖直向的镇墩，其作用均是为了保证在水流改变方向所产生的不平衡力作用下，管道能依靠混凝土的自重保持管道水平向和纵向稳定，是重要的管道附属建筑物。在实际工程中经常会发现镇墩不是体积太大数量众多就是为节省工程量而不设或少设，有些工程露天镇墩未考虑温度应力影响造成混凝土开裂，在侵蚀性环境下引起混凝土腐蚀，加大了管道运行风险也增加了工程投资。

2.5 监测设施及存在问题

长距离输水管线工程具有线路长、地形复杂等特点，有些超长供水线路长度达到100km以上，并且常常伴着其他重要基础设施，线路巡视比较困难，一旦发生事故不仅造成水量损失还会危及其他设施的正常运行和安全，因此，管道监测和智能化管理是长输管道发展的趋势。长输管道监测设施往往利用管道附属建筑物进行设备安装和数据采集，但是同步设计及施工过程中专业间往往沟通联系不够和保护不当，造成设备、线缆漏埋或损坏而影响了数据的准确性。

3 解决对策

3.1 阀井(房)

3.1.1结构设计与其功能要求匹配

结构设计一定要满足功能使用要求。如进排气阀型式已从初期的浮球(筒)式、浮球(筒)杠杆式发展到气缸式、复合式高速进排气阀和防水锤型排气阀，所以在掌握不同排气阀的工作原理及性能特征后，首先确定在上坡段、平坡段和下坡段选择哪类进排气阀，然后在阀井设计时根据阀体安装要求进行结构尺寸设计并要考虑通气量，并根据通气量选择合适直径的通气管，通气管的进排气量应稍大于进排气阀的进气量。进排气阀的进气量可根据各段管线的水力坡降采用海森威廉公式进行推导[6]：

Qj=0.2785ChJ0.54d2.63

(1)

式中，Qj—进排气的进气量，m3/s；Ch—海森威廉系数；J—水力坡降(J=hf/L)；d—管道直径，m。

为防止进排气阀工作过程中通气管可能会吸入杂物或防止野生动物进入，可考虑在通气管上焊接栅条。同时为保证长距离输水管线阀体设备安全，在阀井的进人口处设置安全井盖，且必须要有专门工具才能打开。

3.1.2具有一定的检修条件

长输管道工程中直径超过1200mm的阀井(房)必须考虑设置检修平台或爬梯，方便对阀体设施更换和保养；同时在阀井的井壁和顶梁上考虑预埋吊环，或顶梁上设置滑轨，检修过程中可以方便吊葫芦进行设备吊装和拆卸。

3.1.3适应环境要求

北方地区结构设计不能忽视阀井(房)的保温设计，由于阀井(房)空间大，设有人孔和通气孔都会影响保温效果，除在阀井周边土回填密实、顶板覆盖一定厚度的土层外还需在顶板覆盖一定的保温苯板，加强保温效果；调压塔房则需考虑采用电采暖措施或其他电热措施，保证设备不结冰。

同时在侵蚀性环境下的阀房还需注意混凝土结构的抗侵蚀措施，采用高性能混凝土或抗硫水泥提高混凝土的耐久性。

3.1.4新型材料及工艺应用

阀井(房)在工程建设中需要拉运骨料现场拌制混凝土施工或采用商品混凝土，受环境、供水、供电及人员素质限制，阀井(房)的质量控制相对较难。同时施工工序较多，对混凝土要进行龄期养护，相对管道施工复杂并且工期较长，在设计过程中对环境条件较好、管道直径不大的建筑物可考虑采用成品阀井(如树脂阀井)或拼装型构筑物，以减少现场混凝土施工量，提高建筑物的施工质量。进人口井盖多采用铸铁和铸钢材质，容易被盗窃和锈蚀破坏，可采用复合树脂材料的轻质防盗井盖。

3.2 穿越及交叉建筑物

3.2.1做好沟通协调工作

长输管道工程是线性工程，线路布置中难免和公路、铁路、石油、天然气及其他市政设施、水利设施等发生交叉，像新疆和田市城乡供水一体化工程，工程为中型工程，供水线路总长160km却和国道、省道交叉8次，穿水利设施26处，堤防3处，交叉建筑物达到近200处[5]。所以长输管道工程需在规划设计时就要将初步选定线路和当地相关建设主管部门沟通，然后与土地部门对接是否穿越各类保护区及土地类别，最后和所穿越建筑物所属行业主管部门协调穿越的位置、穿越的型式，根据现行工程经验，许多重要设施穿越不仅需要设施主管部门审批还需要其行业设计部门设计方能实施，这就会造成工期及投资的不确定性，所以及早沟通协调是保证工程进展的重要步骤。

3.2.2考虑近远期结合及经济性

大型长距离管道输水工程受投资和供水受益时间的限制，往往会采用分期建设方式，这时设计单位就需对穿越位置和穿越方式进行认真比较，确定合适方式进行穿越。新疆准东供水工程与乌准铁路有两次交叉，因为是同期规划建设，供水工程建设单位与铁路部门协商，结合本区域规划对交通和水利基础设施同时预留通道，采用多跨大跨度桥梁与近远期高等级公路和供水管线交叉；准东供水工程在与准东经济开发区高等级公路交叉时也是和公路设计部门及时沟通，考虑近远期管道问题在同一桩号处预设了两处盖板涵，保证了供水工程顺利跨越；在穿越216国道时进行了顶管方案和主路开挖辅路通行的方案比较，考虑216国道运输繁忙又都是拉煤的重载车辆，对辅路的要求高工期长，所以采用顶管方式穿越[7]，此方案有较大施工场地施工方便所以未考虑远期管线问题。所以远期管线预留一定与今后该区段施工难易程度和交叉建筑物的建设情况确定，同步建设工程可适当考虑远期预留。像上述216国道穿越案例，对穿越方案应进行技术经济比较，在保证安全的前提下对各自建筑物影响程度最小，投资最省才是最优方案。

3.2.3重要穿越位置的安全防护

长距离输水管道基本上是带压运行，管道的压力多在1～2MPa区间有的甚至更高，一旦发生事故会对穿越处的其他设施造成破坏甚至是较大的人员和财产的损失。准东供水工程在设计之初是伴行乌准铁路并在其上游侧，为保障铁路安全最终将线路调整至铁路下游侧；在穿越乌准铁路、216国道、石油管线时在穿越处上下游侧均设立了关断阀、泄水阀及进排气阀等防护设施，直埋穿越段管材采用耐压能力强的钢管并做好钢筋混凝土的外包防护，涵洞段穿越段设检修通道，为快速抢修提供条件。特别是以地埋型式穿越河道的管道，尽量不要在河道内设立阀井等建筑物，避免超标洪水对建筑物的损坏而影响整个管线的运行。

3.2.4关注交叉建筑物之间的间距要求

2013年南方某供水工程在顶管作业期间将交叉处的氮气管道顶裂，引发氮气泄漏造成5人死亡，1人受伤，经济损失近千万元；国内还有多起因穿越处交叉建筑物施工时支挡建筑物失稳造成相邻建筑物坍塌事故，这些案例反映出建筑物交叉时要和交叉建筑物留有一定的空间间隔，否则易造成安全隐患。GB 50013—2018《室外给水设计规范》[8]对给水管道与其他管线最小水平净距和垂直净距都有明确要求，设计时可遵照执行同时考虑施工操作空间要求。

3.3 过洪建筑物

3.3.1重视洪水资料分析和实地调查

过洪建筑物按工程等级可确定自己的洪水标准，但确定标准洪水时与设计单位对洪水的认识程度和投入的人力、精力有密切关系。应关注水文长系列资料的收集、购买及洪水调查，特别是无水文资料区的洪水调查工作是洪峰流量计算的基础工作；还应根据区域气候变化对计算参数进行修正，2012年7月陕西佳县就遭遇了有气象记录以来的强降雨，致使长输管道工程出现各类问题1700多处，管道漂浮30多处，裸露111处[9]。随着全球气候变暖，特别是新疆等西北干旱区极端天气过程与前二十年变化较大，对山前冲洪积扇的暴雨强度、汇流面积、超标洪水应重点研究。

3.3.2重视过洪建筑物型式选择及防护措施

长输管道在穿越洪沟、河道时往往选择地埋或架空方式穿越，不建议采用管下涵的过洪型式，防止因涵洞过洪能力不足或纵坡选择不合适造成淤堵，威胁管道运行安全。地埋和架空两种方式各有利弊，在河道较宽、水位较高且年内变化较小的河道为便于施工及检修采用架空方式比较好，而在水位变化较大区域则采取地埋方式比较好。两种方式关注的要点是冲刷深度的问题，可以采用GB 50707—2011《河道整治设计规范》[10]、GB 50286—2013《堤防工程设计规范》[11]、JTGC 30—2002《公路工程水文勘测设计规范》[12]、TB 10017—99《铁路工程水文勘测设计规范》[13]、GB 50423—2007《油气输送管道穿越工程设计规范》[14]中的相关公式计算，并结合当地实际冲刷深度调查值进行比较确定。结合冲深计算还需做好管道表面的防护工作，如洪沟处设置上下游衔接段及管道表面的混凝土过洪渠(桥)、河道中管道包封混凝土镇墩、桥基采用灌注桩、河道穿越处的堤岸浆砌石或混凝土挡墙及护坡保护等。

有些工程为减小开挖工程量采用填方型式埋深管道，但是在山前冲洪积扇区域应尽量避免，防止暴雨造成的坡面汇流对管基的破坏，即使修建排洪涵也会因修建位置和排洪能力问题危及管道安全，有时还会因为修建挡洪堤集中洪水下泄，危及下游设施的安全。北疆某新建供水工程的挡洪堤就因为上述原因将下游的省道路基冲毁，所以在山前冲洪积扇区域，管道尽量采用挖方型式尽量不要高压原地面以造成阻水问题。

3.4 镇墩

3.4.1根据需要设置镇墩

镇墩根据受力方向分为水平向镇墩和竖直向镇墩，不是所有转向角都需设置镇墩，转角较大时，承插接口管道可通过接头合理偏转实现转角，若一味采用镇墩其体积太大、钢制管件长不经济，管道自身偏转可减少特制管件和混凝土的用量，节省造价。只有管线偏转角度较小、纵坡较陡且管道为上弯结构时或设有分水三通时，为减小管道轴向拉力，保证管道安全可采用全包封结构结构镇墩。

3.4.2镇墩的体型及抗裂

必须设置镇墩时，应根据其受力及稳定要求合理选择结构断面，下弯结构镇墩是对稳定有利的结构应尽量采用最小尺寸抗滑稳定即可，而上弯及水平镇墩可适当增厚其受力方向的结构面尺寸。如图1所示，可加大水平弯管和竖向弯管不利面的镇墩尺寸。

在满足镇墩的结构稳定要求外还要考虑镇墩的耐久性问题，特别是跨越河道、沟渠段的露天镇墩及设置在中强腐蚀性、地下水位较高或变幅较大地段的镇墩，其耐久性关系到管线的运行安全。根据外界环境类型对镇墩进行限裂设计，布设温度钢筋，对腐蚀性强区域的镇墩采用抗侵蚀高性能混凝土和外隔水措施，提高其使用寿命。

3.5 监测设施

3.5.1监测与工程匹配性

目前长输管道的监测分为几个层次，首先是管道基础数据的监测采集，如管道的流量、压力、温度和变形，实现的方式是通过各种传感器采集和人工测量，通过GRS无线网络上传至数据处理平台，根据数据处理计算反馈至应用管理系统进行判别发出指令。另一种是对管道渗漏检测及定位、变形监测、腐蚀监测的运行数据采集，实现方式为声发信号、负压波、分布式光纤传感等，将信号上传至监视分析与管理专用系统中(多采用SCADA系统或仿真模型)进行判别。第一种基础压力监测系统具有技术成熟、可靠性高、系统建设成本低等特点，而第二种监测系统涉及的监测项目范围大、技术较新、成本较高等特点[15-22]。所以监测设施的设立要与工程的规模和重要性相匹配，中小型或一般性工程对基础数据分析并配合人工巡查是可以保证工程的运行安全，而且投入相对较低，但重要的大型工程运行要求相对较高可采用第二种系统提高管理能力及水平。

3.5.2监测设施供电保证

部分区域的长输管道工程会穿越无人区，需充分考虑设施的用电问题，由于监测系统的用电量不大，设专门供电线路投资较大，可根据当地情况考虑利用太阳能和风能发电以解决用电问题并考虑风光互补系统来提高系统供电的连续性和稳定性，新疆罗布泊钾盐供水工程就采用太阳能来提供电源。

3.5.3监测设施同步施工及保护

监测设施施工一般是由专业公司实施，因此在布设过程中需要监理人员积极协调专业间的存在的问题，在土建、管道及附属设备安装施工过程中不要遗漏监测设施的预埋和焊接，施工过程中监督施工单位对已预埋和安装的设备进行保护，避免不必要的返工及影响今后监测设备的准确性。

4 结语

综上所述，管道配套建筑物投资虽然小于管材及设备投资，但其对管道安全运行的作用却是不容忽视的，特别是阀井的保温、混凝土抗侵蚀，过洪建筑物的抗冲，交叉建筑物实施的经济性和对相邻设施安全性等等问题，直接影响到工程运行安全、投资和工期。因此，从设计角度按照交叉建筑物的功能要求完善其运行检修条件、根据不同受力条件优化其结构、因地制宜合理选择建筑物防护型式和采用新材料、新工艺；建设单位积极协调办理各交叉设施主管部门的相关手续，合理选择相关数字管理系统，都有助于消除工程隐患、保障工程安全运行。

图1 不同向弯管镇墩示意图