某长距离引水工程管道设计方法研究

徐三才

(富邦建设集团有限公司，江西 九江 332400)

1 工程概况

某新建长距离输水工程，输水建筑物以管道工程为主，管道工程由输水管、倒虹吸及提水管道三部分组成，干线及支线管道总计152条，总长532.27m，设计流量9.24-0.022m3/s，管径3.0-0.2m，设计压力4.4MPa-0.1MPa。管道沿线总体布置结合地形、地质条件、流量大小、水头高低和跨越河流、沟渠、道路和支承形式等情况，采用了明管、浅埋管、钢筋混凝土包管、架空管和地下埋管等多种不同的布置方式。

2 设计方法及理念

2.1 输水管布置方法

工程输水管及倒虹吸首末端一般与箱涵、隧洞、泵站进水池等建筑物相接，在输水管及倒虹吸的进出口设置进出水池以满足水面线衔接要求。管线布置时，地形较陡的坡面以明管敷设，地形平缓地带、农田，为便于保护耕地及减少人机活动对管道的影响，采用埋管形式。与公路、河流、沟谷等交叉处，根据跨越地物的特征、跨度及墩架布置条件，采用高支墩架空管、钢筋混凝土或钢结构管桥上敷设管道及架空圆弧管等形式从上部跨越，或者采用钢筋混凝土包管、交叉涵洞内敷设管道等形式从下部穿越。此外，管线较长或地形坡度上下起伏较多时，在较低、较高点位置设置排气及排(泥)污设施。

2.2 管材比选方法

该工程中管材占投资的比例较大，管材选用不当会增加不必要的投资，管材的选取以节省投资、便于施工、运行安全为原则，结合工程规模、适用性、工程地质地形、引水流量、工作水头及工程的工期要求等综合考虑选取管材。

根据管材选择原则，该工程提水管均选用各项性能较稳定的Q355C钢管，输水管及倒虹吸的管材可在钢管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)等管材之间进行比选，具体比选过程不再赘述。经各种管材综合比较后，该工程输水管及倒虹吸可采用钢管、K9级球墨管及预应力钢筒混凝土(PCCP)管三种管材。

2.3 管径选择方法

根据工程总体布置，结合灌区规划要求，对于水头有限的输水管及倒虹吸，结合管道工程造价，合理降低流速，对水头富裕的输水管及倒虹吸，可充分利用水头，尽可能提高管内流速，减小管径以节约管道工程量，从而减小工程造价；另外，为整体上控制单个倒虹吸水损，便于小流量工况的运行、消能，对长度较长或使用管材糙率较大的倒虹吸适当增大管径。

2.4 其他设计

管道水力设计：管道进口水位淹没深度满足各流量工况下的淹没深度要求，具体按《水利水电进水口设计规范》要求确定，并满足最小淹没深度≥2.0m的要求；为保证水流稳定，倒虹吸出口在各流量工况下也应有一定的淹没深度，其淹没深度依据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》要求确定。

结构设计：压力钢管结构设计，包含压力钢管应力计算和抗外压稳定校核，各断面的应力计算及校核公式按《水电站压力钢管设计规范》选用，选取跨中及支座、加劲环等断面进行强度校核。球墨铸铁管道除满足结构强度要求外，还需满足正常使用的要求，包括抗浮、抗滑、地基承载力，正常使用状态验算荷载均使用标准值。

镇、支墩结构设计：除尺寸设计外，镇、支墩设计还应包括地基承载力计算以及抗倾覆稳定计算等，具体结构设计参照相关设计规范。

3 管道典型设计

典型输水管长度为8.23km，管径为D=2.2m，从布置上根据地形地质及尽量减少永久征占地，采用明埋结合的布置形式，从管材上选择了PCCP管和Q355C钢管两种不同管材相互交替使用的方式，也是本输水干线管道工程中管径最大的输水管，因此选取该输水管作为典型建筑物设计。输水管由供水管道、镇墩、闸阀房(井)等建筑物组成，上下游建筑物均为管道，不设进出水池，直接与上下游管道连接。

3.1 管线布置

新建输水管道沿线地形平缓，属缓坡，坡度在12°-36°，地表大部为第四系冲洪积层，厚度2.5-10.0m不等，以耕植土、粉质黏土、砂卵砾石为主，下伏基岩为紫红色泥岩夹钙质泥岩、泥灰岩，埋深较深，沿线断裂、褶皱不发育，也无对管道有影响的不良物理地质体，地下水活动微弱，以松散层孔隙水为主。管道基础大部置于冲洪层粉质黏土或砂卵砾石层上，结构密实，承载力可满足要求，基础开挖边坡全为土质边坡，透水性中等，地基土中无粉砂、粉砂土，不会发生地震液化，边坡及基础中等稳定。

在压力管道转弯处设置镇墩，明管段和管桥段每隔8m设一支墩，所有镇墩、支墩均采用C25钢筋混凝土现浇，所有管道直埋段管顶覆土厚度≥2m。在管道管段最低点设置放空阀和承压式进人孔，由于管道进口连接主干渠道，管道运行过程中随时都有空气进入管道，因此，在管道中间高点设置复合式排气阀，以便随时排出管道中的空气[1]。

3.2 管材选择

从各种管材的投资方面看(未考虑运输及安装费用)，管材投资由大到小依次为：球墨铸铁管、钢管、玻璃钢夹砂管、预应力钢筒混凝土管、预应力混凝土管。

根据《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》中相关规定，当地质条件较好，使用压力较低(1.0MPa以下)时，对中小口径输水管道，通过比较选择球墨铸铁管、塑料管、夹砂玻璃钢管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、预应力钢筋混凝土管等管材；对大口径输水管道，可通过比较选择预应力钢筒混凝土管(PCCP)、球墨铸铁管、钢管。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(1.0MPa以上)时，宜选用钢管。当输水管道穿越河流、铁路等时宜选择钢管。钢管承担内压高，结构安全可靠，能适应各种地形，适应不良地基变形的能力好，对内水压力水头超过100m的管段，考虑接头的可靠性及运行安全，管材选用钢管。

输水管长为8230m，最大设计内水压力为0.55MPa，拟定管径D=2.2m，管线沿线地形坡度起伏不大，坡度为12-36°，典型管段地势平坦，后断坡度基本趋于0°，管线沿途穿越土壤肥沃的农田，为少占耕地及减少人机活动对管道的影响，采用适宜较大埋深的PCCP管，地面起伏较大跨河跨箐处，坡度12°-36°，无耕地，为明管布置，管材采用适宜沿山坡布置适应变形的能力强的Q355C钢管。典型输水管设计基本参数见表1[2]。

表1 典型输水管设计基本参数表

3.3 水力计算

典型输水管水力计算包括水头损失、水锤及过流能力计算。该输水管长度8230m，设计流量Q=4.0m3/s，管径D=2.2m，流速v=1.03m/s，本阶段水锤压力按静水压的25%计算，则最大水头为55m，在该水头下输水管正常运行，千米水头损失为0.405m，最大过流能达到4.1m3/s，>设计流量4.0m3/s，满足过流能力要求。具体水力计算成果见表2。

表2 典型输水管水力计算成果表

3.4 结构设计

典型输水管为明埋相结合的布置形式，埋管采用PCCP管(1.0Mpa)，明管采用Q355C钢管。

3.4.1 钢管部分的结构计算

1)管壁估算

典型输水管钢管段长380m，管径D=2.2m，最大设计压力为0.44MPa，经过计算初选管壁厚度为16mm进行抗外压稳定计算。

2)抗外压稳定校核

本工程明钢管外压力按0.5倍大气压考虑，即0.05MPa，输水管光面管的临界外压计算见表3。

表3 输水管光面管临界外压pcr与所受外压pok计算成果表

由以上计算表可得知，管壁厚为16mm时，光面管Pcr=2.0，即Pcr

3.4.2 PCCP管段设计

典型输水管总长8230m，其中PCCP管(1.0Mpa)段长7850m。管道采用埋管形式，内径2.2m，正常运行时内水压力均为0.55MPa，上部覆土厚度2.7m，管槽两侧坡比为1:0.5，管基采用120°包角中、粗砂垫层，厚0.3m。

1)抗浮计算

典型输水管布置于沿河左岸农田，地下水位线较高，按地下水位线低于地面1.0m、覆土总厚度2.7m考虑。计算抗浮选用管内无水工况，土体湿容重γ1取16kN/m3，浮容重γf取6.2kN/m3，管身每米重Gg=30.4kN，管外径D1取2.53m。经计算，每米管道向下的作用力为：管道自重Gg=30.4kN，覆土重量Gs=57.85kN，向上的作用力浮力Ff=38.0kN，抗浮安全系数Kf=2.32，>导则规定的系数Kf=1.1，满足要求。

2)地基承载力计算

计算地基承载力采用管内满水工况，按地下水位线低于地面1.0m、覆土总厚度2.7m考虑。输水管表层土多为粉质黏土、淤泥质黏土、粉土，以淤泥质黏土强度最低，承载力特征值为110-130kPa，其他均在120kPa以上。以淤泥质黏土为典型进行承载力修正，承载力特征值取fak=120kPa，基底埋深为d=5.0m，土体湿容重γ1仍采用16kN/m3，加权重度γm计算得6.2kN/m3。每米管道向下的作用力为：管道自重Gg=30.4kN，覆土重量Gs=57.85kN，水重WD=39.367kN，对回填土ηb取0，ηd取1.5，经修正后fa=147.90kPa，>基底压力pk=127.61kPa，地基承载力满足要求。对地基经扰动后承载力降低情况，根据需要采用换填或改变管基型式等处理措施，使承载力满足要求。

3)沉降计算

根据地质勘测成果，地基天然分层较多且不均匀，物理力学指标复杂多变，其中淤泥质黏土压缩模量为0.6-1.3MPa，粉质黏土压缩模量为2-4MPa。为简化计算，按地层为单一土质，分别取淤泥质黏土和粉质黏土为代表进行计算，不考虑压缩模量随土应力区间的变化，回填土压缩模量取4MPa，粉质黏土压缩模量取2MPa。计算至规范要求地层深度，按回填土地层时沉降量为45mm。管道基底附加应力为127.61kPa，相对较小，但按地层为淤泥质黏土计算时沉降量仍较大，考虑地基整体上没有发生突变，全管段发生同步沉降仍不影响运行，标准管节长为5m，各管段间采用承插接口相连，接口设两道橡胶止水圈，不均匀沉降量在接口处可逐段调节，对地基有较好的适应能力，在地基特性缓慢变化的情况下能满足运行要求[3]。

3.5 镇墩结构设计

镇墩体积取决于镇墩抗滑稳定所需的重量，且按最不利工况确定镇墩重量。结合地质地形条件及镇墩最小构造要求，最终确定明管段的镇墩抗滑稳定及基底应力计算结果见表4。

表4 典型输水镇墩抗滑稳定及基底应力计算成果表(部分)

计算结果表明：各镇墩抗滑稳定满足要求；镇墩基底应力最大温升工况为234.52kPa，最小应力出现在温降工况为5.98kPa，均满足承载力要求。

4 结论和建议

以典型管道设计为例，从管线布置、管材选择、水力及结构计算、镇墩设计等方面进行研究，总结经验方法，从而提高工作效率，减少工作量，为设计工作减少不必要的人力财力浪费。此外，管道防腐也是管道设计的重点，应严格按照相关规范进行防腐设计。