某長(zhǎng)距離大落差重力輸水管線設(shè)計(jì)

王世剛

(哈密托實(shí)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆哈密市 839000)

某長(zhǎng)距離大落差重力輸水管線設(shè)計(jì)

王世剛

(哈密托實(shí)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆哈密市 839000)

新疆哈密地區(qū)干旱缺水，水資源主要來(lái)源于天山南北坡各山溪河溝，工礦業(yè)用水點(diǎn)大都遠(yuǎn)離水源，分布于各水源下游的平原區(qū)。四道白楊溝水庫(kù)供水工程供水線路地形大都呈現(xiàn)大落差、遠(yuǎn)距離，上游山前坡陡，下游逐漸平緩甚至地形隆起呈現(xiàn)逆坡的特點(diǎn)。供水管線均為重力輸水，一般在上游山前陡坡段，為避免管路中水流速過(guò)大采用放大管徑閥門(mén)控制流速的措施，下游采用倒虹吸管路設(shè)計(jì)。對(duì)調(diào)壓井?dāng)?shù)量選擇、管材及管材壓力選擇、倒虹吸段進(jìn)口位置選擇進(jìn)行了多方案的設(shè)計(jì)投資比較設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：長(zhǎng)距離；重力輸水；倒虹吸；流速控制；管材壓力選擇

1 工程概況

伊吾縣四道白楊溝水庫(kù)供水工程位于哈密地區(qū)伊吾縣淖毛湖鎮(zhèn)境內(nèi)，管線總長(zhǎng)為78.9 km，管線設(shè)計(jì)流量1 736.11 m3/h。該工程將四道白楊溝水庫(kù)的水通過(guò)管道輸送至伊吾縣淖毛湖水廠，再由水廠向淖毛湖工業(yè)園區(qū)和淖毛湖礦區(qū)供水。

根據(jù)SL252—2000《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》，該工程供水對(duì)象重要性為中等，工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物及級(jí)別為3級(jí)，次要建筑物、管道附屬構(gòu)筑物級(jí)別為4級(jí)。

2 輸水管道設(shè)計(jì)

(1) 管材選擇

該工程供水管線長(zhǎng)，落差大，全線長(zhǎng)78.9 km，落差1 216.557 m。

根據(jù)工業(yè)供水的要求，一是對(duì)水源供水的保證率要高，二是供水管網(wǎng)要有很好的安全可靠性。依據(jù)文獻(xiàn)[1]中：對(duì)單條重要的大口徑輸水管道，或地質(zhì)條件較差、使用壓力較高(1.0 MPa以上)時(shí)，宜選擇鋼管。當(dāng)輸水管道穿越河流、鐵路等時(shí)宜選擇鋼管。對(duì)距離特別長(zhǎng)(50 km以上)的大口徑輸水管道，當(dāng)施工期短，或當(dāng)?shù)匦纹鸱褪褂脡毫ψ兓?、地質(zhì)條件變化大時(shí)，可通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇組合管材。

由于本工程為工業(yè)供水，保證率要求較高且為單線輸水，工作壓力較大。結(jié)合本工程特點(diǎn)及各種管材的優(yōu)缺點(diǎn)[2-4]，本次設(shè)計(jì)壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

(2) 管材的沿程水頭損失計(jì)算公式及取用參數(shù)

依據(jù)文獻(xiàn)[5]附條文說(shuō)明中7.2.2-3中輸配水管道、管網(wǎng)水力平差計(jì)算公式：

(1)

式中：L為管長(zhǎng)，m；dj為管道內(nèi)徑，m；q為設(shè)計(jì)流量，m3/s；Ch為海曾-威廉系數(shù)，玻璃鋼管、涂塑鋼管取Ch=140。

依據(jù)管道的鋪設(shè)情況，局部水頭損失可取到沿程水頭損失的5%～10%。結(jié)合本工程的具體情況及以往的經(jīng)驗(yàn)[6-10]，局部水頭損失取沿程水頭損失的10%。

(3) 管材公稱壓力的確定

依據(jù)文獻(xiàn)[1]中4.3.5:壓力輸水管道的公稱壓力應(yīng)根據(jù)最大使用壓力確定，其值應(yīng)為最大使用壓力加0.2～0.4 MPa安全余量，當(dāng)選用非金屬管材時(shí)，安全余量可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)放大。輸水管道的最大使用壓力，應(yīng)經(jīng)過(guò)水錘計(jì)算確定。

依據(jù)文獻(xiàn)[1]中6.1.4：水錘防護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)保證管道最大水錘壓力不超過(guò)1.3～1.5倍最大工作壓力。

依據(jù)以上原則，確定管材公稱壓力。玻璃鋼管：管材公稱壓力=1.5×最大工作壓力+0.4 MPa；涂塑鋼管：管材公稱壓力=1.5×最大工作壓力+0.2 MPa。

3 輸水管道設(shè)計(jì)方案

四道白楊溝水庫(kù)供水管線全長(zhǎng)78.879 km，起點(diǎn)0+000 m處高程1 888.772 m，末端78+900 m處高程672.215 m，最低點(diǎn)60+200 m處高程570.747 m。管線地面最大落差為1 318.025 m，始末兩端地面落差1 216.557 m，最低點(diǎn)至管道末端有101.468 m的逆坡，由于該管線落差較大，輸水方式采用重力輸水，逆坡段采用倒虹吸。

3.1 倒虹吸段進(jìn)口位置選擇

該管線落差較大，最大落差1 318.025 m，輸水方式采用重力輸水，且需設(shè)置調(diào)壓井進(jìn)行減壓，由于60+200 m～78+900 m段為逆坡，落差101.468 m，為保證重力輸水將水送至末端，該段采用倒虹吸設(shè)計(jì)[11-15]，對(duì)倒虹吸進(jìn)口位置設(shè)置進(jìn)行比較。

方案比較管材選擇：壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

(1) 由于48+400 m處高程與末端相同，為檢修方便48+400 m以上考慮設(shè)檢修井，最大使用壓力為靜壓，48+400 m以后為動(dòng)壓。

(2) 倒虹吸進(jìn)口以后最大使用壓力均按動(dòng)壓考慮，不設(shè)置閥井。

以上各方案比較結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 倒虹吸段進(jìn)口設(shè)置不同位置比較結(jié)果表

(3) 比較結(jié)果：48+400 m以上考慮設(shè)檢修井，最大使用壓力為靜壓，48+400 m以后為動(dòng)壓時(shí)，倒虹吸進(jìn)口設(shè)置在36+000 m處投資最為經(jīng)濟(jì)，投資為7 085.45萬(wàn)元；倒虹吸進(jìn)口以后最大使用壓力均按動(dòng)壓考慮，不設(shè)檢修井時(shí)，倒虹吸進(jìn)口設(shè)置在36+000 m處投資最為經(jīng)濟(jì)，投資為6 996.76萬(wàn)元，本次設(shè)計(jì)將倒虹吸進(jìn)口位置設(shè)置在36+000 m處。

48+000 m以上考慮設(shè)檢修井，為檢修方便，檢修時(shí)36+000 m～48+000 m段管內(nèi)水量不需放空，最大使用壓力需按靜壓設(shè)計(jì)，最大計(jì)算壓力3.1 MPa；36+000 m處倒虹吸進(jìn)口以后最大使用壓力均按動(dòng)壓考慮，不設(shè)檢修井，最大計(jì)算壓力2.5 MPa，檢修時(shí)36+000 m～48+000 m段管內(nèi)水量需放空，該段管內(nèi)水量為3 261.6 m3。經(jīng)綜合考慮，檢修不是經(jīng)常發(fā)生，檢修時(shí)36+000 m～48+000 m段管內(nèi)需放空水量不是很大，兩方案相比投資相差88.7萬(wàn)元。

所以本次設(shè)計(jì)選擇將倒虹吸進(jìn)口設(shè)置在36+000 m處。36+000 m至末端最大使用壓力按動(dòng)壓設(shè)計(jì)，不設(shè)檢修井。

(4) 36+000 m～78+900 m段管徑組合比較：根據(jù)確定的倒虹吸進(jìn)口位置36+000 m處，36+000 m至末端不設(shè)檢修井、最大使用壓力按動(dòng)壓設(shè)計(jì)、對(duì)36+000 m～78+900 m段管徑組合進(jìn)行比較，壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

方案1：36+000 m～39+300 m段采用DN600純玻璃鋼管、39+300m～ 45+000 m段采用D630涂塑鋼管、45+000 m～57+450 m段采用D529的涂塑鋼管、57+450 m～69+400 m段采用D630的涂塑鋼管、69+400 m～78+900 m段采用DN700純玻璃鋼管。

方案2：36+000 m～39+300 m段采用DN600純玻璃鋼管、39+300 m～45+000 m段采用D630涂塑鋼管、45+000 m～59+550 m段采用D529的涂塑鋼管、59+550 m～68+700 m段采用D630的涂塑鋼管、68+700 m～78+879 m段采用DN800純玻璃鋼管。

7.1.1 應(yīng)實(shí)施供應(yīng)商管理制度，建立供應(yīng)商評(píng)估檔案。供應(yīng)商應(yīng)經(jīng)過(guò)相關(guān)負(fù)責(zé)人審核和批準(zhǔn)，并定期對(duì)供應(yīng)商進(jìn)行評(píng)估；對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)品的供應(yīng)商實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估。

方案3：36+000 m～39+300 m段采用DN600純玻璃鋼管、39+300 m～51+700 m段采用D630涂塑鋼管、51+750 m～60+200 m段采用D529涂塑鋼管、60+200 m～72+763 m段采用D630涂塑鋼管、72+763 m～78+900 m段采用DN600純玻璃鋼管。

方案4：36+000 m～38+900 m段采用DN700純玻璃鋼管、38+900 m～51+550 m段采用D630涂塑鋼管、51+550 m～59+600 m段采用D529涂塑鋼管、59+600 m～73+400 m段采用D630涂塑鋼管、73+400 m～77+650 m段采用DN600純玻璃鋼管、77+650 m～78+900 m段采用DN500純玻璃鋼管。

經(jīng)比較：方案1管徑組合方案投資最為經(jīng)濟(jì)，本此設(shè)計(jì)36+000 m～78+879 m段管徑采用該方案組合方式。各種管徑組合比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各種管徑組合比較結(jié)果表

(5) 管材比較：36+000 m～78+900 m段全部采用涂塑鋼管方案，投資4 740.67萬(wàn)元；壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管方案，投資為4 197.25萬(wàn)元。兩方案投資相差543.42萬(wàn)元。經(jīng)綜合考慮，本次設(shè)計(jì)36+000 m～78+879 m段采用管材為：壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

3.2 前36 km調(diào)壓井?dāng)?shù)量及管材選擇

根據(jù)確定的最后一座調(diào)壓井位置36+000 m處，0+000 m至36+000 m落差為1021.52 m，平均縱坡為1/35，落差較大需設(shè)置調(diào)壓井進(jìn)行減壓，根據(jù)落差大小對(duì)調(diào)壓井設(shè)置數(shù)量進(jìn)行比較。

管材選擇：方案1全部采用涂塑鋼管；方案2,由于0+000 m～10+000 m段地形起伏變化較大，該段管材均采用涂塑鋼管，其余部分管材壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。以上各方案比較結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 調(diào)壓井設(shè)置數(shù)量及管材選擇投資結(jié)果表

對(duì)設(shè)置不同數(shù)量的調(diào)壓井進(jìn)行比較，比較結(jié)果為：設(shè)置6、7、8座調(diào)壓井，投資均相差不大。經(jīng)綜合考慮，為運(yùn)行管理方便，本次設(shè)計(jì)采用設(shè)置6座調(diào)壓井方案(方案3)。方案3管材均采用涂塑鋼管比采用純玻璃鋼管+涂塑鋼管組合方案，投資152.71余萬(wàn)元。

本次設(shè)計(jì)采用設(shè)置調(diào)壓井?dāng)?shù)量為6座， 0+000 m～10+850 m段采用涂塑鋼管，10+850 m～36+000 m段管材壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。

3.3 管道設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)以上各方案比較結(jié)果，選定方案為：倒虹吸進(jìn)口位置設(shè)置在36+000 m，36+000 m～78+900 m段最大使用壓力按動(dòng)壓設(shè)計(jì)，管材壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管。0+000 m～36+000 m段設(shè)置6座調(diào)壓井,最大使用壓力按靜壓設(shè)計(jì)，0+000 m～10+850 m段全部采用涂塑鋼管，10+850 m～36+000 m段管材壓力小于1.0 MPa的采用純玻璃鋼管，壓力大于1.0 MPa的采用涂塑鋼管[17-19]。選定方案縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 選定方案縱斷面圖

4 結(jié) 語(yǔ)

此文章論述了大落差、遠(yuǎn)距離，上游山前坡陡，下游逆坡的重力輸水設(shè)計(jì)，上游山前陡坡段，為避免管路中水流速過(guò)大采用放大管徑閥門(mén)控制流速的措施，下游逆坡段采用倒虹吸管路設(shè)計(jì)。對(duì)調(diào)壓井?dāng)?shù)量選擇、管材及管材壓力選擇、倒虹吸段進(jìn)口位置選擇進(jìn)行了多方案比較設(shè)計(jì)。

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Design of Long-distance Big-drop Water Transmission Pipeline with

WANG Shigang

(Hami Tuoshi Water Resources and Hydropower Investigation and Design Co., Ltd., Hami, Xinjiang 839000,China)

Hami Prefecture, Xinjiang Uyghur Autonomous Region, is drought and lack of water. Water resources in this prefectrue are from creeks and rivers in both south and north slopes of Tianshan Mountain. Water consumption locations by industry and mining are far away from water sources, they mostly distribute in plain areas at downstream of those water sources. Topography where the water supply route of the water supply project from Sidao Baiyanggou reservoir lays features big drop, long distance, steep slope in front of mountain at upstream and gentle slope even rise slope forming inverted slope at downstream. The water supply pipeline is of the one by gravity. Generally, pipe with large diameter is selected and valve is installed to avoid the high velocity in the pipeline at the steep slope section in front of mountain at upstream. At downstream, the inverted siphon pipeline is designed. Quantity of surge shaft, pipe materials, material pressure, inlet location of inverted siphon section are designed in term of investment comparison. Key words: long distance; water transmission by gravity; inverted siphon; velocity control; pipe pressure selection

1006—2610(2016)06—0044—04

2016-08-29

王世剛 (1980- )，男，黑龍江省綏化市人，工程師，主要從事農(nóng)田水利設(shè)計(jì)工作.

TU991;TV672.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.011