長距離輸水管道規(guī)劃方案探討

楊寶中，于晶晶，申廣英，王朝軍，季貴臣 (華北水利水電大學(xué)，河南鄭州450045)

在長距離輸水管道工程規(guī)劃時，存在諸多問題，在規(guī)劃中必須充分考慮，并采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行解決。內(nèi)黃縣小農(nóng)水項目補源引水管道全長1 522 m，該工程管道長、管線要穿過大面積的灘區(qū)和衛(wèi)河，而灘區(qū)已經(jīng)成為基本農(nóng)田;管道的進(jìn)、出口水頭差變化較大(設(shè)計水頭差為0.3 m、最小為0.2 m、汛期最大為2 m);管道線路平緩，平均比降為4.3/10 000;水源水質(zhì)較差，安陽河的水主要來自上游水庫和灌區(qū)的退水，使用的輸水渠道是土渠，水中含有一定量的泥沙和漂浮物，且缺乏實測資料。針對以上問題，輸水管道在運行時，有2個重大問題，必須采取相應(yīng)的工程措施進(jìn)行解決。一是管道的排氣問題，二是管道的淤積問題，同時還要考慮盡量少占用耕地和節(jié)約工程投資，否則將會造成輸水管道不能達(dá)到設(shè)計要求正常輸水，或投資過高，從而造成工程難以實施的問題。針對上述實際情況，在工程規(guī)劃時，必須認(rèn)真考慮，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行解決。而在工程規(guī)劃和設(shè)計上進(jìn)行處理，即在管道的進(jìn)口、管道材料及管徑、管道的附屬設(shè)施等方面進(jìn)行全面考慮，統(tǒng)籌解決，目前國內(nèi)尚無成熟的經(jīng)驗可以借鑒。

目前國內(nèi)在這方面的研究主要是對長距離管道的附屬設(shè)施、排氣、管線優(yōu)化和管材選擇等方面進(jìn)行了部分研究，如王明安、張世功等通過對各種管材特點、價格分析，提出管材選擇方法及建議［1］;王拓等對山區(qū)大管徑長距離輸水管道在設(shè)計和施工中存在的主要問題進(jìn)行探討，并提出相應(yīng)的建議，如設(shè)計和施工中應(yīng)注意的問題等［2］;邱象玉以北京市高碑店再生水利用工程為例，對排氣閥井、檢修井和排空井等主要附屬設(shè)施進(jìn)行了詳細(xì)的論述，認(rèn)為若排氣不暢將造成水阻增大，流量達(dá)不到設(shè)計值甚至接近于零［3］;王文芬等以輸水管道工程總投資最小為目標(biāo)函數(shù)，以輸水線路的管段數(shù)劃分為階段變量，各管段線路方案和管徑為決策變量，長距離輸水管道的首末水頭為約束條件，建立了長距離輸水管道線路與管徑綜合優(yōu)化的定性定量混合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。提出了以各管段線路方案正交試驗、管段直徑動態(tài)規(guī)劃選優(yōu)的綜合優(yōu)化方法［4］。

這些研究都是在假設(shè)水質(zhì)較好的輸水管道情況下的運行狀態(tài)下的，而對水質(zhì)欠佳時長距離管道可能會存在的淤積問題及解決辦法的研究，目前尚屬空白。筆者以內(nèi)黃縣小農(nóng)水項目補源引水管道工程為例，對這一工況下的長距離輸水管道規(guī)劃方案進(jìn)行了探討，以期為類似工程建設(shè)的規(guī)劃設(shè)計提供參考。

1 工程概況

內(nèi)黃縣小農(nóng)水引水補源管道自衛(wèi)河?xùn)|部的安陽河引水，穿越衛(wèi)河灘區(qū)及衛(wèi)河后進(jìn)入項目區(qū)。根據(jù)內(nèi)黃縣的灌區(qū)規(guī)劃，引水管道自安陽河引水，沿衛(wèi)河大堤向東北走132 m，然后轉(zhuǎn)向東南穿過衛(wèi)河北大堤，向東穿越衛(wèi)河灘區(qū)，再拐向東南穿越衛(wèi)河主河槽后進(jìn)入項目區(qū)。項目區(qū)平面和剖面如圖1，2 所示。

2 工程總體規(guī)劃

針對工程中存在的管道易淤積問題，在工程規(guī)劃上，必須加以考慮并解決。因此，總體規(guī)劃上采用2項處理措施，①在引水管道的進(jìn)口閘處，設(shè)置了攔污柵和沉沙池，以攔住安陽河水中的漂沲物和粗顆粒泥沙，從而減少進(jìn)入輸水管道的雜物，減輕管道的淤積;②在輸水管道中，設(shè)置檢修井。其中，分明井和暗井兩種，暗井只用于檢修，不起排氣作用;暗井設(shè)在灘區(qū)，埋在地下，暗井頂部距地面0.5 m，以保證灘區(qū)耕地的耕作不受影響。明井設(shè)在穿衛(wèi)河的兩岸處，高出地面，既起管道的清淤、檢修作用，又兼顧管道的排氣功能。

2.1 引水管道的規(guī)劃

2.1.1 進(jìn)水閘的規(guī)劃。在管道的進(jìn)口閘處，先設(shè)一沉沙池，主要用于沉積安陽河的粗顆粒泥沙。沉沙池后設(shè)置一攔污柵，以攔截水中的漂沲物。攔污柵采用網(wǎng)眼為1 cm的鋼絲網(wǎng)，既能盡量減小過網(wǎng)的水頭損失，又能攔擋水中的漂浮物，以保證進(jìn)入管道的水不會對管道的過水造成較大的影響。

2.1.2 管材及管徑的選擇。引水管道的進(jìn)、出口處的水位差較小且變幅較大，而受水區(qū)水資源相當(dāng)緊缺，為保證受水區(qū)的水資源需求，應(yīng)盡量多往受水區(qū)引水進(jìn)行補源。因此在工程設(shè)計時，不僅要考慮設(shè)計條件下的管道引水，還要考慮汛期高水頭情況下的引水需求。

雖然引水管道在進(jìn)口閘處已經(jīng)設(shè)置了沉沙池和攔污柵，對進(jìn)入管道的水進(jìn)行了初步處理，但管道的淤積還是很有可能出現(xiàn)的?，F(xiàn)在常用的管道清淤方法有絞車清淤法、高壓水射流清淤法和水沖刷清淤法這3種方法。絞車清淤法是一種利用排水管道兩端進(jìn)行繩索拉結(jié)的方法進(jìn)行淤泥清除，是目前應(yīng)用最廣泛的一種清淤方式。高壓水射流清淤法要高壓噴射車和吸泥車共同作用才能清淤，而且要耗費大量的干凈水，在此工程中用明顯不太經(jīng)濟(jì)。水沖刷清淤法一般是人下檢修井組裝裝置，然后放到一定位置的方法。這3種目前最常用的方法，對長距離管道的清淤來說，是很難操作的。對此，最有效的方法是人工(包括小型機(jī)具)清淤，但這種清淤的方法都要求管徑較大，能滿足人在里面行走及作業(yè)的要求。

在管材的選用上，考慮到經(jīng)濟(jì)、已有的定型管材、施工及管道清淤和檢修的要求，應(yīng)盡量選用管徑大的管道。目前國內(nèi)已有的定型管道最大的管徑為1 600 mm，這種管道，即能滿足該工程的輸水需要，也能滿足管道淤積后的清淤時作業(yè)要求。

2.1.3 輸水流量的計算。輸水管道的水位差分設(shè)計、最小和汛期最大時的3種情況，計算結(jié)果見表1。

表1 不同水頭差時的引水流量

輸水管道由鋼筋混凝土管和PE管兩種管材組成。由于輸水管道要穿越衛(wèi)河大堤、衛(wèi)河灘區(qū)和主河槽。為節(jié)省工程投資，除穿越主河槽段采用PE管道外，其余均采用鋼筋混凝土管道。由于管道鋪設(shè)基本都在耕地下面，為保證管道沿線不影響農(nóng)田耕作和交通要求，考慮凍土層厚度和耕作需求，管道頂部埋深平均距地面1 m，以保證衛(wèi)河灘區(qū)的種植和交通等不受影響。

2.1.4 管道比降及鋪設(shè)的要求。在確定管道的比降時，主要考慮了2個問題:一是地形;二是施工要求。在規(guī)劃時，管道的比降按地形的比降確定，而在鋪管道時，為避免管道起伏造成管道內(nèi)的積氣，在管道施工技術(shù)上也提出了嚴(yán)格要求，同時考慮現(xiàn)有的施工技術(shù)條件。即單節(jié)管道(長6 m)兩頭的鋪設(shè)誤差不得超過設(shè)計高程的正負(fù)1 cm;每累積10節(jié)管道的高程誤差為不超過正負(fù)2 cm;每百米長管道的累計誤差為不超過設(shè)計高差的正負(fù)3 cm。

2.2 檢修井的規(guī)劃 檢修井主要是用于檢修管道內(nèi)的淤積物，同時兼顧管道內(nèi)的排氣作用。在管道需要清淤時，方便人和機(jī)械的進(jìn)入。考慮到人在管道內(nèi)的作業(yè)距離不能過長，同時還要考慮工程投資，所以檢修井不能太多或太少。經(jīng)與施工隊的技術(shù)人員交流，人在管道內(nèi)的作業(yè)長度不能超過60 m。所以檢修井的布設(shè)間距采用100 m，這樣可雙向作業(yè)，清淤長度為50 m。由于在灘區(qū)為保證耕作不受影響，全部設(shè)置為暗井，所以暗井只用與清淤和檢修，不用于排氣。只將在衛(wèi)河的兩岸上的檢修井設(shè)置為明井，同時兼顧排氣之用。根據(jù)工程情況，規(guī)劃的檢修井?dāng)?shù)量如表2。

表2 內(nèi)黃縣補源引水管道工程附屬設(shè)施設(shè)計參數(shù)

3 運行管理

根據(jù)安陽河的水質(zhì)和管道情況，只要管道過水，管道中就可能會產(chǎn)生淤積。只要管道有淤積，就會影響管道的過水流量。要保證管道過流量不減小，就應(yīng)該經(jīng)常進(jìn)行清淤。但清淤管道是相當(dāng)費工費時的事，所以應(yīng)盡量減少管道的清淤次數(shù)。具體操作時，應(yīng)視管道的淤積情況來決定是否進(jìn)行清淤。如果管道的淤積造成過流量與理論計算的流量(或管道的初期實際流量)減少超過15%時，就應(yīng)進(jìn)行清淤。若過流量減少不超過15%時，則無需進(jìn)行清淤。

4 結(jié)語

對于水質(zhì)不佳時的長距離輸水管道的規(guī)劃，特別是缺乏實測水質(zhì)資料的情況下，目前尚無成熟的經(jīng)驗可以借鑒，而管道的淤積也難以從理論上進(jìn)行分析和模擬，因此在規(guī)劃方案上就會存在一些難以確定和解決的問題。對該工程來說，管道在運行過程中，管道的淤積程度如何，是難以量化確定的。因此，在工程運行過程中，要認(rèn)真地經(jīng)常進(jìn)行觀測，一是對水質(zhì)要進(jìn)行定期化驗和分析;二是對管道的淤積情況進(jìn)行觀測，并及時采取相應(yīng)的措施，以保證工程的正常運行。目前該工程的規(guī)劃方案，在專家審查時，已得到了充分的肯定。

［1］王明安，張世功，段偉華，等.長距離輸水管道設(shè)計中幾個問題的探討［J］.黑龍江水利科技，2006(2):92 －93.

［2］王拓，朱家才，肖鏵珅.山區(qū)長距離輸水管道設(shè)計和施工方案探討［J］.中國水利，2012(4):24－26.

［3］邱象玉，王勇，蘇宇.長距離輸水工程管線附屬設(shè)施設(shè)計探討［J］.人民長江，2013(11):9－12.

［4］王文芬，程吉林，龔懿.長距離輸水管道線路與管徑綜合優(yōu)化方法研究［J］.灌溉排水學(xué)報，2014(1):22 －25.