基于長(zhǎng)距離管道重力流輸水工程設(shè)計(jì)研究

宋 巖

(海城市河務(wù)管理處，遼寧 海城 114200)

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基于長(zhǎng)距離管道重力流輸水工程設(shè)計(jì)研究

宋 巖

(海城市河務(wù)管理處，遼寧 海城 114200)

海城某水庫(kù)至某鎮(zhèn)管道重力流輸水工程設(shè)計(jì)，全程采用重力流輸水一管到底方式，輸水站起于水庫(kù)大壩輸水洞處，末站位后某鎮(zhèn)泵站處，工程管道采用螺旋縫埋弧焊鋼管，外層采用環(huán)氧粉末聚乙烯復(fù)合結(jié)構(gòu)(3層PE)外防腐層，鋼管采用國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。文章介紹了對(duì)于水庫(kù)長(zhǎng)距離輸水的應(yīng)用，同時(shí)結(jié)合長(zhǎng)距離管道工程輸水實(shí)例對(duì)輸水管道設(shè)計(jì)中的幾個(gè)相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了分析。

長(zhǎng)距離管道；重力流輸水；高差；設(shè)計(jì)

1 工程概況

海城某水庫(kù)至某鎮(zhèn)管道重力流輸水工程設(shè)計(jì)，線路總長(zhǎng)20.31km，全程采用重力流輸水一管到底方式，輸水站起于水庫(kù)大壩輸水洞處，末站位后某鎮(zhèn)泵站處，工程設(shè)計(jì)輸水量為2×104m3/d，管道壓力為1 MPa，采用D720×7mm螺旋縫埋弧焊鋼管，外層采用環(huán)氧粉末聚乙烯復(fù)合結(jié)構(gòu)(3層PE)外防腐層，鋼管采用國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。

某水庫(kù)興利庫(kù)容960 萬(wàn) m3，庫(kù)區(qū)溢洪道起點(diǎn)高程96.82m，輸水洞進(jìn)口高程80m，管道起始點(diǎn)高程80.7m，管線延程最低點(diǎn)34.4m，中途沿線高點(diǎn)64.8m，末端高程44.6m。管道穿越河流4處，柏油路面10處，磚墻2處，光纜1處。

2 工程方案選擇

2.1 引水方式選擇

該工程地形為管道起始點(diǎn)高程80.7m，管線延程最低點(diǎn)34.4m，中途沿線高點(diǎn)64.8m，末端高程44.6m，該地形采用明渠引流無(wú)法實(shí)現(xiàn)，固工程采用管道輸水的方式。

2.2 線路選擇

1)管道線路走向以順直、平緩為原則，節(jié)省線路投資。

2)選線設(shè)計(jì)中始終將管道安全放在首位，盡量避開(kāi)地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重地段及活動(dòng)性斷裂帶地段，避開(kāi)地面沉陷區(qū)等。

3)管道避開(kāi)城市水源地、工廠、車(chē)站、碼頭、及城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口密集場(chǎng)所。

4)管道路由必須和當(dāng)?shù)氐某鞘?、鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃相結(jié)合，與現(xiàn)有交通設(shè)施、通信、電力設(shè)施保持適當(dāng)距離，并考慮已有的發(fā)展規(guī)劃。盡量做到管道建設(shè)和沿線各鎮(zhèn)的發(fā)展相適應(yīng)，保持和諧[1]。

5)選線充分考慮管道施工的可行性，及今后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便，盡量靠近現(xiàn)有的道路。

6)河流穿跨越位置選擇應(yīng)服從線路總體走向，線路局部走向根據(jù)施工穿越條件進(jìn)行必要調(diào)整后確定。

按選線原則，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)探勘測(cè)量，最終選定路線，線路總長(zhǎng)20.31km。

3 工程設(shè)計(jì)方案

3.1 管道設(shè)計(jì)

材料：螺旋縫埋弧焊鋼管3層PE防腐 D720×7mm；

長(zhǎng)度：管線長(zhǎng)度20.31km，采用螺旋縫埋弧焊鋼管3層PE防腐19.3km、聚氨酯硬脂泡沫外附聚乙烯板管1.022 km；單管長(zhǎng)度12m。

設(shè)計(jì)壓力：1 MPa。

3.2 管道損失計(jì)算

給水管道設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》和《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算如下：

1)管(渠)道總水頭損失，可按下列公式計(jì)算：

hz=hy+hj

(1)

式中：hz為管(渠)道總水頭損失，m；hy為管(渠)道沿程水頭損失，m；hj為管(渠)道局部水頭損失，m。

2)金屬管道水力坡降計(jì)算：

(2)

式中：i為管道單位長(zhǎng)度的水頭損失(水力坡降)；C為流速系數(shù)；R為水力半徑，m。

(3)

3)管道的局部水頭損失宜按下式計(jì)算:

(4)

式中：ζ為管(渠)道局部水頭損失系數(shù)。

3.3 典型最不利地段計(jì)算

本次輸水工程最不利地段在某果園，為輸水尾段的最高點(diǎn)，同時(shí)考慮水利最不利水位及常水位進(jìn)行分析計(jì)算。

1)水庫(kù)輸水樁號(hào)起點(diǎn)0+000m-果園管道樁號(hào)16+817m處，管線呈凹行鋪設(shè)。起點(diǎn)輸水房底板高程80.7m，庫(kù)區(qū)溢洪道起點(diǎn)水位高程96.82m，輸水洞進(jìn)口高程80m，果園管線處高程64.8m。

A水庫(kù)最高水位水力計(jì)算：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水頭損失：hd=i×L=11.0562m；

局部水頭損失：hj=hd×m=11.0562×0.15=1.6584m；

總水頭損失：H=hd+hj=12.7146m；

其中，dj為計(jì)算內(nèi)徑。

果園16+817m處富余水頭：96.82-64.8-12.7146=19.31m。

B水庫(kù)最不利計(jì)算(輸水洞頂點(diǎn)高程)：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水頭損失：hd=i×L=11.0562m；

局部水頭損失：hj=hd×m=11.0562×0.15=1.6584m；

總水頭損失：H=hd+hj=12.7146m；

其中，dj為計(jì)算內(nèi)徑。

16+817m處富余水頭：80-64.8-12.7146=2.49m；

2)果園管道16+817m-泵房20+310m，果園16+817m處高程64.8m，末端泵房20+310m處高程44.6m。

A水庫(kù)最高輸水位計(jì)算：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水頭損失：hd=i×L=2.2964m；

局部水頭損失：hj=hd×m=0.3445m；

總水頭損失：H=hd+hj=2.6409m；

泵房處富余水頭：19.31+64.8-44.6-2.6409=36.86m(不計(jì)虹吸作用)。

B水庫(kù)最不利水位計(jì)算(輸水洞頂點(diǎn)高程)：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水頭損失：hd=i×L=2.2964m；

局部水頭損失：hj=hd×m=0.3445m；

總水頭損失：H=hd+hj=2.6409m；

泵房處富余水頭：2.49+64.8-44.6-2.6409=20.04m(不計(jì)虹吸作用)。

由以上計(jì)算可以看出管道為重力流管道，自然壓差滿足管道流量要求。

3.4 管道埋深設(shè)計(jì)

管道埋設(shè)深度一般應(yīng)在冰凍下，本地區(qū)最大凍層1.2m。故選擇管道埋深為1.2 m(以管頂計(jì)算)。

3.5 管道穿越交叉建筑物設(shè)計(jì)

1)河流穿越設(shè)計(jì)。管道穿過(guò)河道時(shí)，可采用河底穿越方式，利用枯水期實(shí)行大開(kāi)挖形式鋪設(shè)，采用圍堰的方法開(kāi)挖管溝，當(dāng)開(kāi)挖地段為砂石、砂卵石、砂土、黏土?xí)r，可采用明溝排水等方法；若為淤泥、流砂、粉砂和細(xì)砂，可采用井點(diǎn)降水等方法[2]。嚴(yán)格遵循《防洪標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)要求進(jìn)行溝埋敷設(shè)。小型河流、溝渠穿越管道管頂埋深距河床設(shè)計(jì)沖刷線≥0.5m，無(wú)沖刷河流管道管頂埋深≥2m；若河床為基巖時(shí)，小型河流穿越管道管頂埋深距基巖面≥1.5m。本次管道穿越河流4處，五道河歷史最大沖刷深≤3m，管道埋深選定>5m。

2)道路穿越設(shè)計(jì)。本次穿越柏油公路10處，采用開(kāi)挖法穿越公路，設(shè)置路障、柵欄、警示標(biāo)志，并設(shè)專(zhuān)人指揮交通維護(hù)安全。穿越處管道加套管，套管為內(nèi)徑0.8m鋼筋混凝土管，承受外壓60t。

3)光纜穿越設(shè)計(jì)。光纜穿越處應(yīng)與所屬部門(mén)制定詳細(xì)的穿越方案。管道穿越線纜時(shí)，其凈距≥0.5m，并應(yīng)固定可靠。

3.6 管道附屬設(shè)施設(shè)計(jì)

3.6.1 管道閥門(mén)

1)排氣閥：輸水管(渠)道隆起點(diǎn)上應(yīng)設(shè)通氣設(shè)施，設(shè)1處通氣設(shè)施，自動(dòng)排氣閥(DN25)，共計(jì)4處。自動(dòng)排氣閥設(shè)置在排氣磚砌圓形井(收口式) 內(nèi)(內(nèi)徑 1.4m 井深 2.5m)。

2)排泥丁字管：根據(jù)工程需設(shè)置檢修水閥井和排泥丁管(D250mm)，排泥管在圓形排泥濕井內(nèi)(內(nèi)徑1m 井深3.5m)。

3.6.2 管道流量控制閥門(mén)、流量?jī)x器設(shè)置

管道輸水口設(shè)置控制閥門(mén)、電子水表，終點(diǎn)設(shè)置控制閥門(mén)。

3.6.3 管道標(biāo)志帶

考慮本管道為重要的輸水管道，為防止第三方無(wú)意挖掘破壞，設(shè)計(jì)在管頂上方敷設(shè)“管道標(biāo)志帶”，每處水平轉(zhuǎn)角(線路控制樁)設(shè)轉(zhuǎn)角樁標(biāo)志帶1個(gè)；從首站開(kāi)始，地下構(gòu)筑物交叉處，穿越河流、公路的兩側(cè)，均設(shè)標(biāo)志帶。

3.6.4 管道保溫設(shè)

輸水起始點(diǎn)0+000-1+022輸水渠道閥門(mén)處，管道露天鋪設(shè)需加以防凍措施，本次1022m管道防凍措施采用聚氨酯硬脂泡沫外附聚乙烯板方式。

3.6.5 鎮(zhèn)墩

管道轉(zhuǎn)彎處以及穿越河道段應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定設(shè)計(jì)，本次管線轉(zhuǎn)折變化處，穿越河道處，均設(shè)置鎮(zhèn)墩穩(wěn)管。

3.6.6 附屬設(shè)施統(tǒng)計(jì)

標(biāo)志樁：標(biāo)志樁內(nèi)含里程標(biāo)志，起方便維修、警示作用，分別設(shè)置點(diǎn)號(hào)為G1、G7、G8、G9、G10、G11、G17、G18、G25、G26、G27、G31、G39、G43、G53、G56、G57、G59、G67共計(jì)19個(gè)。

自動(dòng)排氣閥設(shè)置：3處排氣閥分別設(shè)置在G25、G40、G54處。

圓型排泥濕井：3處排泥濕井分別設(shè)置在G20-G22 間低洼處、G30-G31間低洼處，G37管線處。

鎮(zhèn)墩：14處鎮(zhèn)墩分別設(shè)置在G7、G9、G11、G17、G18、G27、G28、G29、G31、G36、G38、G53、G57、G67處。

4 輸水管道安裝與管道試壓

4.1 輸水管道安裝施工工藝流程

輸水管道安裝施工工藝應(yīng)按照下面步驟實(shí)施：①熟悉圖紙和有關(guān)技術(shù)資料；②施工測(cè)量放線；③溝槽開(kāi)挖及管溝砌筑；④管件加工制作；⑤支架制作及安裝；⑥管道預(yù)制及組裝；⑦管道敷設(shè)及安裝；⑧管道與設(shè)備連接；⑨裸漏鋼管保溫；⑩調(diào)試和試壓運(yùn)轉(zhuǎn) ；交工驗(yàn)收。

4.2 管道試壓

試驗(yàn)裝置：試壓裝置主要包括管道進(jìn)水管、進(jìn)水閥、加壓泵、壓力表、放水閥、排氣閥和堵板等[3]。

管道水壓試驗(yàn)的分段長(zhǎng)度≤1.0 km。鋼管道試壓前，應(yīng)排除遺留在管道中的鐵渣、焊渣、泥渣堵板可直接與鋼管焊接，也可采作法蘭連接；承插管試壓時(shí)，可用尾端焊有鋼制試壓堵板的鋼制承口、插口與承插管連接，再用方木或型鋼作支撐通過(guò)后背墻頂住堵板，也可用千斤頂支頂。

5 結(jié) 論

長(zhǎng)距離管道重力流輸水受地形因素較大，選線設(shè)計(jì)中應(yīng)將管道安全放在首位，盡量避開(kāi)地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重地段及活動(dòng)性斷裂帶地段，避開(kāi)地面沉陷區(qū)，尤其穿越河流、道路及光纜線處等應(yīng)加以防護(hù)措施，避免其他因素來(lái)影響管線輸水安全，在計(jì)算過(guò)程中應(yīng)注意地形最不利點(diǎn)位的計(jì)算、管材靜水壓力的分析，做好線路附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)。

[1]李書(shū)兵,姚智文.長(zhǎng)距離大落差重力流輸水管道改造工程方案探討[J].給水排水，2014(05)：66-69.

[2]楊慶華,翟龍,羅歡.長(zhǎng)距離高落差有壓重力流輸水特性研究[J].給水排水，2015(12)：21-28.

[3]羅春林,楊玉芳,王愛(ài)軍,等.有壓重力流長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)體會(huì)[J].給水排水,2012, 38(08)：36-38.

Design and Research of Water Delivery by Gravity Flow Project in Long Distance Pipe

SONG Yan

(Haicheng Municipal River Management Office, Haicheng 114200, China)

Full use of gravity flow in a pipe to the end is adopted in the design of a reservoir in Haicheng city to a water delivery project by gravity flow, the water delivery station starts from water delivery tunnel of the reservoir and the end station is located in the pumping station in a town. The spiral submerged arc welded steel pipes are used in the pipe, epoxy powder polyethylene composite structure (there are three layers of PE) is used in the out coating, and the steel pipe is made strictly according to the international standard. This paper introduces the application of long distance water delivery in the reservoir and analyzes several relevant design points appeared in the design of the water delivery pipe, and its aim is to provide references for similar engineering construction.

pipe of long distance; water delivery by gravity flow; height difference; design

1007-7596(2016)10-0011-03

2016-10-16

宋巖(1978-)，女，遼寧海城人，工程師，研究方向?yàn)楹拥?、防汛、水利工程施工、水資源管理等。

S277.7

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