长距离输水管线设计与运行技术分析

杨华

（江西省中赣投勘察设计有限公司，南昌 330029）

1 引言

我国城市供水系统发展迅速，进入新时代，城市多水源和应急备用水源建设力度加大，城市供水系统呈现多元化的发展趋势。但与国外发达国家输水管线工程设计相比，我国输水管线设计还存在差距，如规划不合理、盲目施工及缺乏长效管理机制等。因此，需要进一步加强对长距离输水管线的设计，提高其运行能力。

2 长距离输水管线设计

2.1 长距离输水管线供水特点

长距离输水管线一般指距离超过10 km 的用管（渠）道输送原水、清水的管线，由于输送距离长、流量大，且沿线可能涉及山林河湖、公路、铁路等复杂地形及征地问题，工程建设难度大、周期长，具体比较过程见表1。

表1 长距离输水管线管渠形式比选表

从表1 可以看出，管道输水较渠道输水有明显优势，水流流向速度不易受管道压力的限制，且地势环境的影响程度较低，适用于各种地形。在现代科学技术的加持下，也使管道的质量得到进一步加强，能免受冬季寒冷冰冻的影响，不受地面种植物的干扰，使管线整体走向更合理，技术性更突出[1]。

2.2 长距离输水管线的模拟计算与分析

长距离输水管线由于横跨地域较大，整个管线较长，因此，在运行管理时难度大，常因不同原因导致水力发生瞬变，对管线的安全运行造成严重威胁。因此，需要通过模拟计算提前确定输水管线中的流量以及水头等数值，以更直观的方式使设计人员合理确定输水管线的长度及阀门附件的设置。针对已经运行的输水管线，需充分把握其具体运行工况，利用相关公式建立更精准的管线计算模型。例如，水头损失计算公式为：

式中，Hj为圆管的沿程水头损失，m；λ为沿程阻力系数；L 为输水管道的长度，m；d 为输水管道直径，m；U 为断面平均流速，m3/s；g 为管线承受的压力，Pa。在局部阻力损失中，为将损失程度降至最低，需控制阻力系数。局部阻力损失具体计算公式为：

式中，Hm为局部水头损失，m；S 为局部阻力的系数。在局部阻力损失中，具体包括两部分：水头损失及局部水头损失，这两种阻力的计算需要根据恒定流动的原理，最终对长距离输水管线输水量进行具体计算。

在模拟计算过程中，为使模型建立更准确，要求对不同阻力系数进行确定，包括沿程阻力系数、局部阻力系数以及粗糙系数，具体确定数值见表2。

表2 不同阻力系数参数表

2.3 长距离输水管线材料选择

在长距离输水工程中，管材的选择至关重要，其既是保证供水系统安全的关键，又在很大程度上决定了工程造价和运行费用。常用的输水管道材料主要有铸铁管、预应力混凝土管、钢管及预应力钢筒混凝土管等。由于材料之间的组成不同，不同管材的主要特性存在差别，具体差别见表3。

表3 不同管材性能差异表

2.4 泵房设计要点

泵房设计也是长距离输水管线设计中的重要组成部分，在泵房设计过程中，主要包括3 个方面。

2.4.1 辅助设备的选择

由于长距离输水管线在输送过程中受外部环境的影响，易出现各种问题，通常在泵房内除设置有水泵、电动机外，还需设置辅助设备。这些辅助设备在日常管理应用中具有重要作用，在停电或关机情况下，如果缺乏辅助设备应用，导致泵损害，故需在水泵口处设置辅助设备，防止出现水流回倒现象。常用辅助设备有铺盖以及板桩。铺盖一般设置在泵房的出水池中，主要用于延长渗径，减小渗透坡降及渗透流速等。板桩一般设置在泵房出水侧，主要作用也是用于渗径。

2.4.2 选择泵房及水泵形式

通常在泵房选择上共有3 种，分别为干室型、缆车型以及浮船型。目前应用较多的是干室型。干室型对水泵的数量要求较低，室内通风程度较高，可为水泵运行提供良好的环境。

2.4.3 合理设置泵房

在地基处理过程中，由于地基直接影响建筑物的使用过程，因此，为了防止出现地基不稳定，出现裂缝及渗水，要求对泵房进行合理设置，最好设置于岩石上，防止地基出现松软[3]。

3 长距离输水管线运行

3.1 工程概况

以某供水工程为例，该工程水产量1 200 m3/h，对周围地区承担重要供水任务。该工程输水管线全长15 km，主要以钢管、铸铁管为主，管线直径0.5～0.8 m，最大高差为17 m，由于整个工程建设于湿润性黄土地带，为保证输水管线的运行效果，在阀门设置上采用排气管及泄水阀等蝶阀，从而保证管线的安全，防止出现意外，造成损失。

3.2 运行措施

3.2.1 启用前运行方法

启用前的运行方法主要包括两种，一种是输水管线运行，另一种是供水管线运行。在输水管线运行中，如果输水管线运行与供水管线存在较大的相似之处，当蓄水池水位到达一定高度后，需缓慢打开出水阀，按照将阀门进行开启，尽量保证清水池的高度。

该工程供水管线注水完成后，将水资源输送至清水池，如果清水池水位到达一定高度，需缓慢打开清水泵，将水阀打开。在向输水管线充水的过程中一定要控制充水量，尽量不超过管线的流量。在控制出口闸板阀的过程中，要特别注意以下两个方面。

1）在注水过程中，一定要控制注水速度，将管线内的氧气排除，如果注水速度过快，会导致管线内部压强迅速上升，在外部压强的挤压作用下，很有可能出现管道爆炸。

2）在关闭阀门的过程中，要严格按照相关流程进行关闭，秉承先慢后快的关闭原则，当管线在输送水的过程中，由于管线内还残存着一定量的空气，导致管线内的压强极不稳定，需控制关闭阀门的速度，逐步将管线中的空气剔除。由于输水管线总流量的控制集中在蝶阀，在关闭蝶阀过程中，若关闭速度过快将导致能量波动不稳定，出现爆管的可能性。在关闭阀门时尽量控制阀门的角度，关闭时间务必超过1 min，当关闭阀门角度低于30 ℃时，则要控制关闭速度，尽量缓慢均匀地进行关闭，关闭时间需要超过7 min。

3.2.2 管线附件运行

对于长距离输水管线而言，管线中的排气阀可起到重要作用，通过对排气阀的合理设置，能将其中的气体顺利排出，防止管线内压强过大。依据GB 50013—2018《室外给水设计标准》，管线排气阀通常应设置在管线中的最高点，且在每隔500 m 处设置1 个排气阀，从而保证空气排出，保证管线的安全运行。另外，还可以在管线中安装泄压阀以及回流管线，由于管线内空气的存在，导致管线压力始终不稳定，中心压力易超过设定的压力，面对此情况，要求立即打开泄压阀，将泄水阀泄出的清水进行回流，在整个回流过程中，应减少水流所带来的压力，从而保证管线运行稳定。如果管线压力小于设计压力，则泄水阀自动关闭，从而在一定程度上减少对管线的影响。

3.2.3 输水管网运行

如果用户突然增大或者减少水阀压力，使输水管线空气挤压较为明显，需要采用合理的协调方式，加强人员之间的联系程度，保证水管网运行压力稳定。同时技术人员在操作过程中要随时注意水管网中的压力波动情况，尽量避免压力幅度较大。另外，在输水管道的材料选择上，尽量采用水泥管。如果在实际运行的过程中起到良好的效果，则不需要进行防腐处理。在接口处采用柔性接口的方式进行处理。如果当地建设环境相对恶劣，比如，地质松软等，可以采用特殊的地基处理方式，从而保证水管网的运行。

4 结语

综上所述，本文主要对长距离输水管线的设计要点及运行措施进行分析研究，通过相关计算公式建立模拟的计算模型。从实际效果看，在计算过程中，要充分考虑多种阻力参数，并进行模拟计算，使管线设计更合理。为使管线外壁质量达到一定标准，要求加强管材的选择，保证管线的外壁结构质量。在实际运行过程中，控制阀的设置一定要合理，以加强对输水管的维护保养，从而保证输水管线的长期稳定运行，保证城市居民的用水安全。