大口徑長(zhǎng)距離輸水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆自治區(qū)地處西北大陸，水資源缺乏，且分布較為不均，加之某些地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，用水矛盾問(wèn)題日益突出，因此水資源輸送和調(diào)配成為維持某些地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要途徑。大口徑長(zhǎng)距離輸水管道是當(dāng)前水資源調(diào)配的主要手段，在保證水質(zhì)、管材及線路選擇、施工靈活性等方面相對(duì)于渠道輸水有著較大優(yōu)勢(shì)。

1 工程概況

新疆某開(kāi)發(fā)區(qū)是“一帶一路”新疆站的重要據(jù)點(diǎn)，于2012年9月15日經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)成為國(guó)家級(jí)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)。近10年來(lái)，開(kāi)發(fā)區(qū)累計(jì)完成基礎(chǔ)設(shè)施投資80億元，招商引資超過(guò)667億元，逐步建立起以煤電、煤化工、煤制油、新興建材等為主的支柱產(chǎn)業(yè)。為保證開(kāi)發(fā)區(qū)日常用水，設(shè)計(jì)建設(shè)一條連接某水庫(kù)到開(kāi)發(fā)區(qū)的輸水管道，長(zhǎng)度約20.4 km。

2 輸水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

大口徑長(zhǎng)距離輸水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括的內(nèi)容有：管材選擇、輸水干管條數(shù)、管徑選擇、管道埋深等內(nèi)容，下面以準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)輸水管道工程分別進(jìn)行分析。

2.1 輸水管道管材的選擇

管道是輸水工程中的核心因素，如果管道某處出現(xiàn)爆管、滲漏等問(wèn)題，將會(huì)帶來(lái)巨大的水資源浪費(fèi)，且維修難度大、費(fèi)用高。管材的選取直接決定了輸水管道的安全穩(wěn)定性，而且對(duì)工程投資也有著直接影響，因此需要結(jié)合多方因素綜合考慮。

2.1.1 各類(lèi)管材優(yōu)缺點(diǎn)比較

目前可用于輸水管道的管材主要包括：鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、玻璃鋼夾砂管(FRPM)。各類(lèi)型管材優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比相見(jiàn)表1所示。

2.1.2 不同管材水力條件分析

由于大口徑輸水管道輸送水量大、距離長(zhǎng)，因此產(chǎn)生的水頭損失較大，為節(jié)約運(yùn)行功耗，盡量選擇水力特性好的管材。本項(xiàng)目為方便計(jì)算，采用“舍齊公式”來(lái)計(jì)算各類(lèi)管材水頭損失。

表1 各類(lèi)管材優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

(1)

式中：Q為流量，m3/s；k為常數(shù)；n為粗糙系數(shù)；D為管徑；i為水力坡度。

根據(jù)以下三種情況來(lái)對(duì)比不同管材水力條件：1)流量、水頭損失一樣，求管徑之比；2)管徑、水頭損失一樣，求流量之比；3)管徑、流量一樣，求水頭損失之比。具體計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)情況為：

1)四種管材(順序?yàn)椋轰摴?、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、玻璃鋼夾砂管)管徑之比為“1.15：1.15：1.1：1”，即在流量、水頭損失一樣情況下，鋼管和球墨鑄鐵管管徑最大，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管其次，玻璃鋼夾砂管最小；

2)四種管材流量之比為“1：1：1.17：1.43”，即玻璃鋼夾砂管的流量遠(yuǎn)大于鋼管和球墨鑄鐵管，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管位于中間位置；

3)四種管材水頭損失之比為“2.1：2.1：1.5：1”，即玻璃鋼夾砂管水頭損失遠(yuǎn)小于鋼管和球墨鑄鐵管，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管還是位于中間位置。

2.1.3 管材的確定

通過(guò)上述對(duì)比，玻璃鋼夾砂管的水力特性最突出，但是其單價(jià)較高，且質(zhì)地較軟，本工程輸水方式為“重力+加壓泵站”。管線經(jīng)過(guò)地帶多為經(jīng)濟(jì)作物，需要填埋后復(fù)耕。從施工條件、地質(zhì)條件、管道承壓等各方面考慮，最終選擇預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)作為本工程施工管材，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)具體結(jié)構(gòu)

2.2 輸水干管條數(shù)設(shè)計(jì)

輸水安全性和可靠性是評(píng)價(jià)管道工程的重要指標(biāo)，該開(kāi)發(fā)區(qū)對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)影響較大，因此本項(xiàng)目對(duì)單管方案和雙管方案進(jìn)行了比較。根據(jù)估算，開(kāi)發(fā)區(qū)用水規(guī)模在35～40萬(wàn) m3之間，初步擬定管徑范圍在DN1600-2400(以中間加壓泵站為界點(diǎn)，管徑由大變小)，據(jù)此對(duì)兩方案經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比，相見(jiàn)表2。

表2 輸水干管條數(shù)方案對(duì)比

由表2數(shù)據(jù)可知：?jiǎn)喂芊桨副入p管方案節(jié)省投資為2 320.4元/m，共計(jì)節(jié)約投資超過(guò)4 600萬(wàn)元，且開(kāi)發(fā)區(qū)附近有一小型水庫(kù)可作為應(yīng)急水源，因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用單管輸水方案。

2.3 經(jīng)濟(jì)管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)

在大口徑長(zhǎng)距離輸水管道系統(tǒng)中，管道成本占到整個(gè)工程投資的70%左右，若管徑過(guò)大，則會(huì)增加管道、泵站投資；若管道過(guò)小，則會(huì)增加日常運(yùn)行費(fèi)用。因此最佳管徑應(yīng)結(jié)合管網(wǎng)、管材、輸水量等多個(gè)因素綜合考慮。

2.3.1 糙率和水頭損失計(jì)算

經(jīng)查找相關(guān)規(guī)范可知：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)糙率n范圍在0.011～0.012 5，考慮管道運(yùn)行一段時(shí)間后內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生生物膜，因此本項(xiàng)目管道糙率n取最大值0.012 5。

針對(duì)本項(xiàng)目重力流段輸水管道，結(jié)合曼寧公式和謝才公式來(lái)估算其水頭損失，其中沿程水頭損失hf計(jì)算見(jiàn)(2)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本項(xiàng)目的局部水頭損失按照沿程水頭損失的10%計(jì)算。

(2)

式中：v為水流速度，m/s；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑，m；l為輸水管線長(zhǎng)度，m。

2.3.2 最優(yōu)管徑的確定

該開(kāi)發(fā)區(qū)輸水管道工程重力流段長(zhǎng)約12 km，最大流速設(shè)計(jì)不超過(guò)3 m/s，根據(jù)用水規(guī)模，設(shè)計(jì)以下三種管徑組合方案。由表中數(shù)據(jù)可知：三種組合方案流速、流量等均符合要求，但水頭損失相差較大，考慮工程經(jīng)濟(jì)性及準(zhǔn)東經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)的發(fā)展規(guī)模，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用組合二方案作為最終施工方案。

表3 重力流段PCCP管組合對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)方案對(duì)比最終確定了該工程最優(yōu)管道選取參數(shù)和組合方案，在滿足要求的前提下充分考慮開(kāi)發(fā)區(qū)的發(fā)展前景，該經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)完成該項(xiàng)輸水管道鋪設(shè)工程后，基本保證了未來(lái)20年的發(fā)展需要，且工程取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。輸水管道是地區(qū)建設(shè)的重要基礎(chǔ)性設(shè)施，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)緊密結(jié)合工程實(shí)際情況，力求各項(xiàng)指標(biāo)做到因地制宜，切不可盲目追求高大上設(shè)計(jì)。