淺論長(zhǎng)距離輸水管道的設(shè)計(jì)

霍禮鋒

【摘要】長(zhǎng)距離輸水工程是解決用水量迅速增加的主要措施之一。輸水管道在新材料、新技術(shù)應(yīng)用方面有了較大進(jìn)步。管道投資占整個(gè)輸水工程的絕大比重，因此管材的選擇應(yīng)從工程的規(guī)模、重要性、管徑、工作壓力、地形地質(zhì)、工期、資金等方面綜合分析確定，以達(dá)到性?xún)r(jià)比最優(yōu)。

【關(guān)鍵詞】長(zhǎng)距離輸水管道；管材；管徑；工作壓力；措施

1. 長(zhǎng)距離輸水管道管材的選擇

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市及工業(yè)用水量迅速增加，長(zhǎng)距離輸水工程是解決用水量迅速增加的主要措施之一。輸水管道在新材料、新技術(shù)應(yīng)用方面有了較大進(jìn)步。管道投資占整個(gè)輸水工程的絕大比重，因此管材的選擇應(yīng)從工程的規(guī)模、重要性、管徑、工作壓力、地形地質(zhì)、工期、資金等方面綜合分析確定，以達(dá)到性?xún)r(jià)比最優(yōu)。

常用的輸水管道有鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼管、聚乙烯塑料管（PVC-U）、超高分子量聚乙烯管等，就上述管材選擇說(shuō)明比較如下。

1.1鋼管。鋼管應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，范圍廣，是一種傳統(tǒng)的輸水管材。鋼管一般選用螺旋焊接與直縫焊接管，具有強(qiáng)度高、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但耐腐蝕性差，使用壽命一般不超過(guò)25年。為延長(zhǎng)鋼管壽命，需對(duì)其進(jìn)行防腐處理和保護(hù)，其方法可采用涂料加犧牲陽(yáng)極的復(fù)合防腐措施。鋼管內(nèi)、外防腐采用國(guó)家衛(wèi)生部許可的GZ-2新型高分子防腐涂料，內(nèi)壁防腐級(jí)別為普通級(jí)，采用二底二面，漆膜干膜厚80～100μm；外壁防腐級(jí)別為重加強(qiáng)級(jí)，采用二布四油，漆膜干膜厚280～300μm；犧牲陽(yáng)極保護(hù)塊間隔一定距離通過(guò)電纜與鋼管連接，加強(qiáng)鋼管的抗腐蝕能力。通過(guò)涂料加犧牲陽(yáng)極的復(fù)合防腐措施，可使鋼管壽命達(dá)50年，但施工復(fù)雜，工期長(zhǎng)，造價(jià)較高。

1.2球墨鑄鐵管。球墨鑄鐵管是上世紀(jì)九十年代廣泛應(yīng)用的輸水管材，具有強(qiáng)度高、韌性好、延伸率大、耐腐蝕等特點(diǎn)，內(nèi)壁襯水泥磨光防腐，外壁采用噴鋅后涂瀝青防腐，采用柔性T型接口，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，止水效果好，是一種較理想的輸水管材。

1.3預(yù)應(yīng)力混凝土管。預(yù)應(yīng)力混凝土管按其生產(chǎn)工藝分兩種，一種是一階段管即一次成型；一種是三階段管。預(yù)應(yīng)力混凝土管因加工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)最低，但管材生產(chǎn)過(guò)程中存在弊病，如三階段噴漿質(zhì)量不穩(wěn)定，易脫落和起鼓；一階段管在施加予應(yīng)力時(shí)不易控制，造成質(zhì)量不穩(wěn)定、不均一，且因重量大造成運(yùn)輸安裝不方便，使其應(yīng)用受到了限制，該管道為最經(jīng)濟(jì)的管材，可根據(jù)供水重要性適當(dāng)選用。

1.4預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是一種鋼筒與混凝土制作的復(fù)合管。管芯為混凝土，在其外壁或中部埋入厚1.5mm鋼筒，在管芯上纏繞預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，并在其外部**泥漿保護(hù)層。該管抗?jié)B性能較好，接口采用鋼制承插口，尺寸較準(zhǔn)確，設(shè)橡膠止水圈，止水效果較好。1000mm以上管徑具有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

1.5玻璃鋼管。玻璃鋼管全稱(chēng)纏繞玻璃纖維增強(qiáng)熱固樹(shù)脂加砂管，該工藝是以樹(shù)脂為基本材料，玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，以石英砂為填充材料而制成的新型復(fù)合管材。玻璃鋼管采用承插式連接，橡膠圈止水，具有耐腐蝕、重量輕、強(qiáng)度高、不結(jié)垢，尤其內(nèi)壁光滑，水力學(xué)性能好，造率系數(shù)僅為0.009，是鋼管的70%，被稱(chēng)為“水力學(xué)光滑管”，在長(zhǎng)距離輸水管道中具有廣闊發(fā)展前景。

1.6聚乙烯塑料管（PVC-U）。聚乙烯塑料管是一種傳統(tǒng)輸水管材，具有耐腐蝕、重量輕、運(yùn)輸安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，管徑一般小于等于800mm。400mm以下管徑較為經(jīng)濟(jì)。

1.7超高分子量聚乙烯管。超高分子量聚乙烯管是一種新型工程塑料管道，具備了聚乙烯管優(yōu)點(diǎn)外，還具有高抗沖擊性，其沖擊強(qiáng)度是聚乙烯管的4倍，高耐磨性，可達(dá)聚乙烯管的10倍，提高了使用壽命，管道連接采用電熱融焊接工藝，有效防止結(jié)點(diǎn)滲漏和開(kāi)裂。上述管材詳見(jiàn)表1。

（1）從安全方面，鋼管、球墨鑄鐵管，PCCP管比較安全，特別在工壓高，管徑大，管線起伏較多的工程中。鋼管要特別注意防腐處理以延長(zhǎng)使用壽命；玻璃鋼管特別注意出廠管材的質(zhì)量檢查，選用合適的剛度。

（2）從經(jīng)濟(jì)方面，預(yù)應(yīng)力混凝土管最為經(jīng)濟(jì)；400mm以下管徑優(yōu)先選用PVC-U和超高分子量聚乙烯管，其次為玻璃鋼管；500～800mm管徑優(yōu)先選用玻璃鋼管，其次為球墨鑄鐵管；1000mm以上管徑優(yōu)先選用鋼筒管，球墨鑄鐵管價(jià)格較高。

2. 長(zhǎng)距離輸水管道管徑的選擇

（1）長(zhǎng)距離輸水管道投資占輸水工程的絕大比重，管徑增大，管道一次性投資增大，管路阻力減小，可降低電耗量與年運(yùn)行費(fèi)用，相反管徑減小，可降低管道一次性投資，但管路阻力增大，年耗電量及年運(yùn)行費(fèi)增加。因此如何確定一個(gè)合理的管徑，是長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)十分重要的工作。

（2）確定經(jīng)濟(jì)管徑的方法可采用費(fèi)用現(xiàn)值最小法。假設(shè)不同的管徑，計(jì)算出管道的一次性投資，然后根據(jù)供水流量、管長(zhǎng)、管徑、管材計(jì)算凈揚(yáng)程，再由凈揚(yáng)程、流量等計(jì)算裝機(jī)容量，從而計(jì)算年運(yùn)行費(fèi)，按費(fèi)率和年限折現(xiàn)，求出費(fèi)用現(xiàn)值，其中最小費(fèi)用現(xiàn)值對(duì)應(yīng)的管徑即為經(jīng)濟(jì)管徑。

（3）現(xiàn)以下列實(shí)例計(jì)算如下：供水流量500m3/h，全年供水，單根管道，輸水距離分別為5Km、10Km及15Km，進(jìn)出口水頭差及出口壓力值共計(jì)0.15MPa，管材為球墨鑄鐵管，糙率系數(shù)n=0.013，折現(xiàn)率i=6%，折現(xiàn)年限N=30a，折現(xiàn)系數(shù)13.76（見(jiàn)表2）。

（4）管徑為經(jīng)濟(jì)管徑。通過(guò)上表的計(jì)算分析，不僅可選擇其經(jīng)濟(jì)管徑，并隨輸水距離增長(zhǎng)和管徑減少，費(fèi)用現(xiàn)值增長(zhǎng)較快。因此長(zhǎng)距離輸水管道宜根據(jù)工作壓力選擇較大管徑，減少管路阻力，降低年運(yùn)行費(fèi)，使費(fèi)用現(xiàn)值最小。

3. 長(zhǎng)距離輸水管道工作壓力的選擇

（1）長(zhǎng)距離輸水管道各段工作壓力不同，管道進(jìn)口（泵站出口）壓力最大，管道出口壓力最小，并受地形起伏的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)工程具體情況計(jì)算出管道沿線的工作壓力，包括水錘壓力和檢修情況，以選擇管材壓力值。

（2）鋼管和球墨鑄鐵管強(qiáng)度高，管材工作壓力一般為1.6MPa，對(duì)價(jià)格影響較小，其它材料管道工作壓力不同對(duì)價(jià)格影響較大。預(yù)應(yīng)力混凝土管工作壓力為0.4～1.2MPa，分五級(jí)；預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管工作壓力為0.4～2.0MPa，分九級(jí)；玻璃鋼管工作壓力為0.6～2.0MPa；聚乙烯管為0.6～1.0MPa；高級(jí)聚乙烯管為0.4～2.0MPa。上述管材工作壓力每提高一級(jí)，增加管材投資20%左右。因此長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)中必須根據(jù)計(jì)算壓力值，分段選擇其工作壓力，達(dá)到安全與經(jīng)濟(jì)的完美結(jié)合。

4. 長(zhǎng)距離輸水管道防護(hù)技術(shù)與安全措施

4.1水錘的防護(hù)。水錘是壓力管道系統(tǒng)防護(hù)的重要內(nèi)容，在長(zhǎng)距離輸水管道中，流速變化是經(jīng)常出現(xiàn)的，管道中流速變化時(shí)，致使管道中水的壓力的升高或降低，在壓力低于水的汽化壓力時(shí)，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔，在空腔處的水流彌合時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，管道中的水升壓，形成水錘。水錘有啟動(dòng)水錘、關(guān)閉水錘、停泵水錘。一般啟動(dòng)水錘不大，只是真空情況下，管中空氣不能排出而被壓縮時(shí)才會(huì)加劇水位壓力的變化；關(guān)閉水錘在正常操作時(shí)不會(huì)引起過(guò)大的水錘壓力；但由于突然停電或事故停泵所產(chǎn)生的水錘往往較大，水錘壓力值可達(dá)到工作壓力的1.5～3倍。一般采取技術(shù)工程措施加以防護(hù)，在水泵出口處設(shè)置水錘消除器、緩閉止回閥、安全閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。

4.2排氣閥的設(shè)置。管道初次輸水時(shí)，管道內(nèi)存有空氣，管道運(yùn)行時(shí)，實(shí)際上是水汽兩相流。因此在長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視排氣閥的設(shè)置，其數(shù)量應(yīng)根據(jù)沿線地形、地質(zhì)情況，合理確定管道的縱向布置，一般人為的每隔一定距離布置成一個(gè)高點(diǎn)，在駝峰處布設(shè)排氣閥，防止管道的氣蝕和振動(dòng)，以影響管道輸水及安全。

4.3連通管的設(shè)置。長(zhǎng)距離輸水管道按有關(guān)規(guī)范規(guī)定，一般采用雙管線布置，以滿(mǎn)足檢修需要，檢修時(shí)供水量應(yīng)不少于設(shè)計(jì)供水量的70%，為達(dá)到此目的，應(yīng)在二根主管之間設(shè)置連通管，在每根連通管處的主管上下側(cè)設(shè)置2個(gè)閘閥，共4個(gè)閘閥，以達(dá)到分段檢修目的。連通管的數(shù)量可根據(jù)輸水管線的長(zhǎng)度，在分段檢修情況下滿(mǎn)足設(shè)計(jì)供水量的70%，經(jīng)計(jì)算確定，一般設(shè)置3處連通管。

5. 結(jié)束語(yǔ)

在長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)中，管道投資占輸水工程的絕大比重，管材、管徑及工作壓力的選擇必須根據(jù)工程規(guī)模、重要性、地形地質(zhì)等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較綜合分析確定，許多技術(shù)及安全措施還有待更深入的研究與提高。