某备用水源输水管道设计方案分析

黄文圻

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 四川 成都 610000

长距离的输水管道在设计过程中会有不断变化的设计输入，在进行设计时需结合施工操作、运输安装、管理运行等方面进行综合考虑，现就对某一输水管道的设计方案进行分析，并根据项目自身的特点提出一些设计建议。

1 工程概况

某自来水厂原取水水源单一，若取水水源发生水质污染、水质超标等情况，将造成城市供水中断，居民生产和生活用水难以得到保障，对经济、社会将会造成严重的影响。现另寻一水源，建设一条输水管道作为自来水厂的备用水源，以保证自来水厂在原主水源不能供水的情况下能够正常运行，保障基本民生。本文就输水管道的全程设计方案进行论述及分析[1]。

2 工程设计方案

2.1 管材选择

常用的给水管有钢管、球墨铸铁管、PE管等。其中钢管优点是承压能力大，具有较强的韧性，不易断裂，管件品种齐全，铺设方便等，缺点是价格高，易腐蚀；球墨铸铁管常用于中小口径输水管道，具有丰富的使用经验，且有很好的抗腐蚀能力，抗震性能较好，但管体相对笨重，安装时需运用机械，安装要求高；PE管重量轻，具有良好的耐腐蚀性、韧性好、挠性好，但是抗压耐压强度较低，抗冲击性较差，对紫外线较敏感，一般用于低压力小直径的管材。

本工程输水管道设计流量q=1.27m3/s，管道全长约6400m，管道起点与终点的水头差约为66m，属于长距离大管径输水工程。管材的选择与当地气候、地形地貌、项目地交通条件、项目造价以及市场使用和发展情况等均有关系。本项目输水线路地貌多样化且地形起伏较大，部分管道甚至会穿越河道，复杂的地质条件对管材的性能要求很高。考虑到本项目的实际地质情况，为便于工程材料的运输及安装并保证供水管道的安全性，本工程采用管材性能最好的钢管。

2.2 管道水力计算

根据已有水力设计输入进行管径的选择并进行相应水力计算以选择合适的管径。

设计输入：q=1.27m3/s，水头差△h=66m，管道长度L=6400m

管径试算：

当管径D=920mm时，v=1.99m/s，△hl＝40.7m

当管径D=1020mm时，v=1.62m/s，△h2＝23.3m

选用D=920mm的钢管时，总水头损失较大，若选用D=1020mm的钢管，总水头损失较小，由于本工程水压来自于管道起点和终点的自然水头差，无需人为提供水压，因此可选用D=920mm的钢管，减少管道的工程投资，提高工程的经济性。

由于本工程的管道线路地形起伏较大，起点与终点之间有多个山脊，在进行管道竖向高程布置时，管道始终要布置于水力坡降线以下，方能保证管道能正常运行。通过对管道进行水力复核，D=920mm钢管能始终布置于管道水力坡降线以下，满足管道水力要求。同时根据管道工作压力按照最不利工况选择管道压力等级的原则，综合水力计算结果，根据不同地段、不同敷设方法、不同工作压力，分段确定管壁厚度。

2.3 管道敷设

该输水管道线路地形复杂，会经过茶园、果林、河道、民居、市政道路等地段，管道在敷设时需根据具体地质情况进行相应调整，提高工程的可行性与经济性。管道敷设于茶园下时，管道的覆土厚度1m即可；在经过果林时，覆土厚度可达到1.2m；而在经过市政道路时，覆土厚度可设置为1.5m；在经过民居时，由于客观条件管道不能深埋，管道可采用混凝土包封并进行浅埋，有些不适宜管道埋地的路段，管道可采用明管包封的形式；而对于过河的管道可采取河底穿越以及河面跨越两种方式。

河底穿越即采取倒虹管的形式，需根据工程实际情况选择施工难度较小的方案，管线宜设在河道较窄、河床及两岸岸坡稳定且坡度较缓处，根据水流冲刷等情况，倒虹管敷设在河床下的深度一般管顶距河床底面的距离不小于0.5m，在航运范围内不得小于1.0m，同时需满足抗浮要求。

当工程采用倒虹管形式实施困难时也可采用河面跨越管道。本工程部分过河管道采用了拱管式河面跨越，拱管在其最高点需设置排气阀。其优点是利用钢管本身作为承重结构，节省支承材料，施工方便，缺点是视觉上不够美观。

管道过河的方式较多，各种方式均有自己的优缺点，在工程实施中要根据工程本身情况综合考虑选择合适的方式。

管道设计还需根据工程实际情况考虑保温措施。本工程所在地区在冬季不需要采取保温措施，如遇寒冷地区，管道的埋深需根据地区冰冻线确定，如无法满足冰冻线的埋深要求，管道可采用聚氨酯发泡，保温岩棉等形式保温。

2.4 管道防腐

管道沿线的土壤以及运输的水对于钢管本身均有一定的腐蚀作用，因此钢管的防腐十分重要，做好防腐措施才能保证其使用年限。

钢管防腐分为外防腐及内防腐，为保证工程质量，管体的内外防腐层宜在工厂内完成，现场连接的补口需按相关设计要求处理。

(1)钢管内防腐

钢管内防腐常用的防腐材料有水泥砂浆、液体环氧涂料，本工程的钢管管径为D920mm，可采用水泥砂浆防腐，其具有防腐性能可靠、水力条件优越、经济效益明显等优势。

(2)钢管外防腐

埋地钢管的常用外防腐涂层材料主要有石油沥青、环氧煤沥青以及环氧树脂玻璃钢等。

本工程选用适应性和可靠性较好的环氧煤沥青作为输水管道的外防腐材料，其防腐层构造可分为普通级（三油）、加强级（四油一布）和特加强级（六油二布）三个等级。结合工程经验，本工程采用特加强级环氧煤沥青外防腐。其结构为底漆--面漆--面漆、玻璃布、面漆--面漆、玻璃布、面漆--面漆，干膜厚度≥0.60mm。玻璃布要拉紧，表面需平整，无皱折和鼓泡，若出现鼓泡，可用小刀将其割破，挤出泡内空气。

2.5 管道阴极保护

金属管道埋在土壤中容易发生腐蚀，是金属的一种正常现象。特别是金属管道防腐层未做好则会加快管道的腐蚀速度。埋地的钢管通常采用涂层和阴极保护两种方式联合防腐。阴极保护有牺牲阳极法和外加电流法两种方法。本工程采用牺牲阳极法，该法的优点是成本低、施工维护简单，安全可靠，对其他地下金属设施电干扰少，管理方便，阳极寿命可达20年以上。

影响埋地钢管腐蚀速度的因素是多方面的，主要取决于土壤的性质，而土壤电阻率是判断土壤腐蚀性的最基本参数，也可作为牺牲阳极种类的选择依据[2]。

2.6 水锤计算

在有压管道中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然停止）使水的流速突然发生变化，从而引起水击，这种水力现象称为水击或水锤。水锤容易导致水泵、阀门以及管道的破坏，严重影响工程的正常运行。为了减少水锤产生的影响，需在管路中采取一系列有效措施，并在必要时安装相应设备。

(1)降低管内水的流速，可在一定程度上降低水锤压力，但会增大输水管管径，增加工程投资，经济性较差。

(2)输水管线布置应结合地形综合考虑，尽量减少驼峰或坡度剧变的设计，降低水锤发生的可能性。

(3)若用泵取水时，停泵时泵的几何扬程与水锤影响的大小也有关系。泵的几何扬程越高，停泵时水锤值也越大。因此，应根据工程实际情况选用合理的水泵扬程。

(4)启泵时水泵出口阀门不要一下全部打开，否则会产生很大的水冲击。

(5)安装水锤消除器。水锤消除器可在管道正常运行时有效地消除具有破坏性的冲击波，达到保护管道系统的目的，但要注意水锤消除器的安装一定要规范。

(6)延长开阀和关阀时间。阀门的快速开关是产生水锤的一个重要因素，延长开关阀门时间也能有效地减少水锤对管道系统地影响。

本工程输水管道是重力取水，而且管线布置合理，且DN900的手动蝶阀开启关闭时间较长，故产生水锤的可能性较小或水锤产生后的危害性较小。

2.7 附属设施

根据本工程实际情况，需设置镇墩、架空支墩、排（进）气阀、排水阀、检修阀门及人孔、流量计等管道附属设施。

本工程有部分管道埋于陡坡处，为保证管道的稳定性需设置镇墩，一般可根据工程经验设置，也可通过精确计算确定镇墩的设计相关参数。

当管道由于地形原因需要架空时，则需要设置架空支墩，相关支墩的设计可结合《自承式平直形架空钢管》（05S506-1）进行计算确定。

当管道内含有大量空气时，会出现气阻，影响管道的正常水力流态，因此需在输水管道的隆起点和平直段的必要位置上设排（进）气设施。当管线布置平缓时，可间隔1km左右设置一个排（进）气设施。选用复合式排气阀，不但可排除管内的空气，同时当管道因停泵以及放空时，管道内会出现负压引起管道的振动或破裂，这时排（进）气阀就会迅速把空气吸入管内，防止管道产生振动或破裂。排（进）气阀的大小一般可取输水管道直径的1/8~1/5。

管道输送的水中会含有部分杂质，在输水过程中这些杂质可能会沉积在管内，长期以往会影响管道的正常运行，降低管道输水能力。在输水管道的低洼处设置排水阀可排放管道中的残留水及部分杂质，特别是对于含沙量大的水，排水阀的设置可降低下游管道中沙的含量，提高输送水的水质。在市政道路给水管道中，排水阀的出水可通过排泥湿井溢流至最近的雨水口中，而在野外的输水管道中，排水阀可直接接至河沟或其他合适的水域，具体设计可由现场实际情况确定。排水阀的大小一般取输水管直径的1/5~1/3。

对于长距离输水管道，需设置检修阀门，阀门的间距需根据事故抢修允许的排水时间确定，并结合地形等综合考虑。一般管道起点、终点以及穿越河道等特殊节点需按照有关规定设置阀门。如果人能进入管道，管道也应在必要的位置设置检修人孔，方便管道的维护。

本工程为备用水源输水管道，输送的水量需根据自来水厂的需水量确定，由于采取自然水头取水，需在管道末端对水量进行流量监测并进行管道水量的调整[3]。

2.8 管道结构设计

(1)管道结构设计需遵循以下原则

①应根据输水方式、地形、工程地质、交通运输、经济性、可行性等条件，经多方案比较后选择线路走向。②管道布置应少占农田和不占良田。在通过农田时，应结合农田水利等规划进行设计。③线路走向应力求顺直，宜沿道路定线。④管道应尽量避免经过地形起伏过大区域，尽量选择平缓的地形。⑤管道应尽量避开滑坡、崩塌、泥石流、沼泽、池塘、河谷等工程地质不良地段以及高地下水位地区、河流淹没和冲刷地区等。当受条件限制必须通过时，应采取可靠防护措施，综合考虑工程的安全性、可行性以及经济性。⑥尽量减少与天然或人工障碍物交叉。当必须与河流、湖泊、公路、铁路等交叉时，应尽可能利用现有穿跨越设施，同时不宜通过厂矿企业等特殊地区。

(2)不同地质情况管道设计

本工程管道沿线地形复杂，需根据不同的地质条件采用不同的结构形式，下简单罗列几种不同地质状况时采取的结构处理方式。

①管道沿斜坡和冲沟敷设，若斜坡的坡体主要由素填土组成且素填土回填时间超过十年，坡体自重固结基本完成，具有一定的承载力，但填土边坡仍受流水冲刷容易局部垮塌。建议管道考虑采用素填土作为管道持力层，但采用素填土作为持力层时应复核地基承载力，冲沟底部的软土不能作为地基持力层，应提前清除，冲沟附近建议对管道进行防护。②管道沿河道敷设时，若河道底部有少量软塑状粉质粘土，且粉质粘土层下是砂岩时。建议管道采用强风化砂岩作为地基持力层，同时应注意防冲刷处理，管槽开挖时应注意河岸边坡的稳定性，必要时可设置支挡结构对河岸边坡进行支挡。③管道穿越河流，河底有基岩裸露时，管道可埋置于河底的砂岩中，放坡开挖的比例可采用1:0.5~1:1.0，且管道的埋深要大于河流的冲刷深度。

(3)沟槽开挖

沟槽开挖时应按照设计文件规定的线路位置和坡度，同时应符合施工验收规范的要求，沟壁的坡度根据现场土质条件确定（必要时可采取沟槽支撑）。

本工程除素砼包封与架空外，管道基础根据规范要求设置砂垫层。本次设计基础砂垫层厚度200mm。管道回填材料除基础垫层外，其余材料尽量就地取材，采用破碎后的岩石，现场加工为符合相关规范要求的石屑回填，提高工程的经济性。

2.9 管道试压

管道在正式运行前需进行水压试验，以保证管道后期能进行正常运行。

管道试压需待最后一个焊接接口完毕一个小时以上方可进行，长度不宜大于1km。试压前需清除管道内的杂物，从下游向管道内缓慢注水，同时打开排气阀，以排除管道内的气体。

不同管材的试验压力均不一样，与管材的类型及工作压力P有关。若工程采用两种或两种以上管材时，宜根据不同管材的试验要求分别进行试验。本工程全部采用钢管，其试验压力应为P+0.5 MPa，且试验压力不得小于0.9MPa。若输水管道为球墨铸铁管，当其工作压力P≤0.5 MPa时，其试验压力为2P，当工作压力P >0.5 MPa时，其试验压力应为P+0.5。若输水管道为化学建材管，工作压力P≥0.1 MPa，其试验压力应为1.5P，且不小于0.8 MPa。

2.10 输水管道运行

管道施工完毕后进行初次运行时应注意，为防止管道产生水锤现象，管道的进水阀门不宜开启过快，减小开启度，若阀门开启速度过快，开启度过大，管道进水的速度太快，原管道内的空气来不及排空，会局部形成较大的气水压，造成水锤现象，容易爆管。管道首次充水时可同时开启管道的排气阀，管内注满水后方可将进水控制阀门全部开启[4]。

2.11 其他

为保证管道系统能正常运行，避免遭受意外破坏，在必要的位置可设置标识标牌，起到提醒作用。管道上的附属设施在满足其功能的前提下尽量安装在容易操作的位置，法兰等零件需尽量设置在检查井内，避免直接埋在土中，以免锈蚀，影响使用寿命以及管道的正常运行。

3 结语

本文以某一备用水源输水管道为例，阐述了输水管道中需要涉及的相关设计内容。不同工程的实际情况不同，不能一概而论，设计人员需结合工程自身特点确定工程的最终设计方案，在设计过程中以严谨的态度进行科学设计。希望本文对其他类似工程的设计起到一定的借鉴作用。