南水北調(diào)配套輸水管道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

李云光

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

0 前言

提升南水北調(diào)配套工程各段的施工質(zhì)量，需要在配套輸水管道工程的設(shè)計(jì)過程中，充分考慮區(qū)域性的因素，嚴(yán)格遵守相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與要點(diǎn)，保障管道材料、工藝應(yīng)用等能夠達(dá)到南水北調(diào)配套工程的要求，通過輸水管道工程來實(shí)現(xiàn)水資源的合理分配與利用，提升南水北調(diào)工程的綜合效益。

1 工程概況

河南省地處南水北調(diào)中線工程，在整個(gè)工程項(xiàng)目中，受水區(qū)供水配套工程供水目標(biāo)主要為南陽(yáng)、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作等11個(gè)省轄市和所屬的6個(gè)縣級(jí)市、28個(gè)縣城以及鄧州市、滑縣兩個(gè)直管市(縣)共47個(gè)城市的85個(gè)水廠。在河南省內(nèi)，配套工程輸水線路總長(zhǎng)967.01 km，其中，輸水線路長(zhǎng)958.29 km，輸水涵洞(暗渠)長(zhǎng)4.02 km，明渠長(zhǎng)4.70 km。

2 設(shè)計(jì)原則與要點(diǎn)

由于河南的地域條件相對(duì)復(fù)雜，要保障南水北調(diào)配套輸水管道工程的建設(shè)施工質(zhì)量，在整個(gè)線路布置中，需要遵循以下的要點(diǎn)：一是根據(jù)各個(gè)城市的總體規(guī)劃與供水規(guī)劃來進(jìn)行，既要滿足近期的規(guī)劃建設(shè)要求，還需要符合遠(yuǎn)期規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮城鎮(zhèn)化發(fā)展、拆遷改建擴(kuò)建、投資控制等因素；盡量在輸水管道的規(guī)劃中，考慮現(xiàn)狀發(fā)展和道路規(guī)劃要求，減少輸水管道與已有建筑物、管網(wǎng)和道路等的交叉。二是充分利用河南省內(nèi)途徑市縣的地形地勢(shì)條件，在條件允許的情況下，考慮重水流輸水設(shè)計(jì)，盡量在輸水管道設(shè)計(jì)時(shí)，保持平直性，減少急轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)來控制水力損失。整體的設(shè)計(jì)過程中，如果存在管道允許調(diào)整角度的設(shè)計(jì)要求，需對(duì)鎮(zhèn)墩數(shù)量加以有效控制，盡量將工程規(guī)?？刂圃诤侠淼姆秶鷥?nèi)，避免不必要的工程經(jīng)濟(jì)損失。三是當(dāng)需要進(jìn)行穿越段輸水管道工程施工時(shí)，盡量選擇垂直穿越設(shè)計(jì)，在穿越河流時(shí)，管道埋設(shè)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，如果要保障設(shè)計(jì)的合理性，需充分考慮河流洪水沖刷線；如果穿越的是大型道路，需盡量避免對(duì)原有道路交通所造成的不利影響，可以采用頂管或者箱涵穿越的方式。四是管道埋設(shè)設(shè)計(jì)需要從區(qū)域凍土深度、敷設(shè)位置、荷載較大段的實(shí)際情況出發(fā)，針對(duì)河南特殊的地理環(huán)境，對(duì)于耕地內(nèi)敷設(shè)的管線，管頂覆土需在1.50 m以上，而在城區(qū)或者荷載較大段，管頂覆土需在2.00 m以上。

3 南水北調(diào)配套輸水管道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 輸水管材選擇

3.1.1 鋼管

鋼管管材比較特殊，決定了鋼管的強(qiáng)度較高，可承受較大的壓力，很強(qiáng)的地形適應(yīng)性。在輸水管道工程中，如果應(yīng)用的是鋼管，還能夠有效減小水頭損失，再加上單位管長(zhǎng)的重量較小，鋼管的密封性較好，本身具有對(duì)地基不均勻沉降的抵御能力，即使是相對(duì)復(fù)雜的地形地質(zhì)條件下，鋼管同樣可以得到有效的使用。但是，鋼管在使用時(shí)同樣存在著一定的缺陷，具體表現(xiàn)在：剛度小，大口徑管在使用時(shí)極易發(fā)生變形現(xiàn)象；鋼管的抗腐蝕能力較差，極易出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，輸水管道中如果使用的是這種管材，當(dāng)出現(xiàn)銹蝕以后，水質(zhì)質(zhì)量難以保障；管道防腐層易老化，耐久性不足；在整個(gè)施工過程中，涉及的焊接工作任務(wù)繁重。

3.1.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管可承受內(nèi)水壓力超過2.00 MPa以上，通常有50 a的使用壽命，其延伸率、剛度、抗拉強(qiáng)度均強(qiáng)于金屬管道，承受土壤靜荷載及地面動(dòng)荷載的能力通常比其他管材強(qiáng)。球墨鑄鐵管系柔性接口，拆裝方便、承受局部沉陷的能力好，特別在有地下水或管內(nèi)有少量余水的狀況下維修容易。球墨鑄鐵管通常外表面首先噴涂鋅層，再噴涂瀝青保護(hù)，耐腐蝕性比非金屬管材弱，但比鋼管強(qiáng)。

由于DN≥1 400 mm及DN≤200 mm的球墨鑄鐵管，鑄造難度大、相對(duì)價(jià)格高，且大口徑球墨鑄鐵管的管件，鑄造難度大、同時(shí)大口徑球墨鑄鐵管管壁簿，承、插口端容易變形，影響管道敷設(shè)。因此，在國(guó)內(nèi)各城市供水管網(wǎng)中，球墨鑄鐵管目前宜適用于DN300～1 200 mm之內(nèi)。

3.1.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管同樣是輸水管道工程設(shè)計(jì)時(shí)常用的管材類型，這一類管材的加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，整體的工程造價(jià)相對(duì)較低，管道在使用過程中，抗?jié)B性和耐久性都較好，整體的施工效率高，具有安裝的便捷性。此外，PCP管的內(nèi)壁比較光滑，發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象的概率較低，能夠在輸水管道中保持良好的水力條件，輸水能力較強(qiáng)，且管道的抗腐蝕性高，基本上不需要對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)外的防腐處理。但是，PCP管在使用的過程中同樣存在著一定的缺陷，比如，管道的質(zhì)量較重，運(yùn)輸相對(duì)不便，承接插口的加工精度控制難度大，整體的接頭非常復(fù)雜，后續(xù)的維護(hù)檢修非常不便，一些管體部位會(huì)出現(xiàn)空鼓與裂縫，最終將會(huì)引起滲漏水問題，造成水資源的浪費(fèi)。

3.1.4 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是一種復(fù)合管材，由鋼筒、鋼絲和混凝土構(gòu)成，這種特殊的構(gòu)成使得其在應(yīng)用的過程中能夠有效發(fā)揮鋼管和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管的優(yōu)勢(shì)。如果在南水北調(diào)配套輸水管道工程設(shè)計(jì)時(shí)選擇的是這種管材，能夠有效發(fā)揮這類管材的管徑范圍大、承受壓力高、高抗?jié)B性優(yōu)勢(shì)。此外，這一管材的管壁厚、剛度大、抗震能力強(qiáng)，腐蝕現(xiàn)象發(fā)生概率低。管子接口的加工精度非常高，雙橡膠圈的方式使得管材的密封性非常好，承插式安裝方式下，更具高效性與便捷性，整體的維修費(fèi)用較低。但是，PCCP管在使用時(shí)對(duì)鋼絲質(zhì)量有著較高的要求，保護(hù)層比較薄，管道重量大，運(yùn)輸非常不便。

3.2 輸水管道管徑的選擇

河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程在輸水管道方面的資金投入占總投資份額較重，在此之中，由于壓重力的管道輸水較多，這對(duì)于依賴重力輸水的同類管材來說，當(dāng)管道直徑越大時(shí)，水頭損失會(huì)相對(duì)較小，對(duì)水廠可利用水頭偏高，總體的管道工程投資較大；相反，當(dāng)管徑較小的情況下，將會(huì)存在較大的水頭損失，水廠可利用的水頭較小，管道投資也相對(duì)較小。對(duì)于依靠提水的同一種管材而言，當(dāng)管徑增大的情況下，管道一次性投資規(guī)模較大，管路在使用過程中存在的阻力相對(duì)較小，也就使得管道運(yùn)行時(shí)的耗電量、運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)偏低；相反，在管徑減小的情況下，管道一次性投資規(guī)模也相對(duì)較小，管道運(yùn)行時(shí)的阻力非常大。再加上管道管徑與工程投資規(guī)模之間存在著緊密的聯(lián)系，如果想要提升輸水管道設(shè)計(jì)的質(zhì)量，相關(guān)人員在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，必須要結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的具體情況以及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，來確定最佳的管徑。對(duì)依靠重力作用進(jìn)行輸水的管道來說，在選取經(jīng)濟(jì)管徑時(shí)，通常要結(jié)合管道設(shè)計(jì)流速來予以確定，若是壓力輸水管道，則設(shè)計(jì)流速在0.60～3 m/s范圍內(nèi)，在達(dá)到了流速與水廠水位的要求以后，盡量選用小管徑。

3.3 輸水管道工作壓力的選擇

配套輸水管道工程設(shè)計(jì)時(shí)，工作壓力同樣是管道設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮的因素，由于輸水管道各個(gè)分水口門的工作壓力存在一定的差異，即使是同一口門輸水管道各段的工作壓力也會(huì)存在較大的區(qū)別，這些工作壓力在設(shè)計(jì)時(shí)不僅會(huì)受到地形條件的影響，還會(huì)受到其他因素的影響。在工作壓力的設(shè)計(jì)過程中，專業(yè)的設(shè)計(jì)人員需結(jié)合輸水管道工程的基本標(biāo)準(zhǔn)與要求，充分考慮多方面的因素，保障管道沿線工作壓力計(jì)算的準(zhǔn)確性。通常狀況下，鋼管和球墨鑄鐵管的強(qiáng)度相對(duì)而言會(huì)比較高，管材壓力普遍設(shè)計(jì)為1.60 MPa，這些類型的管材在工作壓力設(shè)計(jì)時(shí)基本上不會(huì)對(duì)總體的管道工程投資產(chǎn)生較大的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)是中國(guó)的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，這一項(xiàng)目實(shí)施實(shí)現(xiàn)了水資源的合理調(diào)配，滿足了水資源使用需求。輸水管道工程作為南水北調(diào)工程中的重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)的過程中，需充分從綜合性的角度，保障管材選擇、管道各種參數(shù)設(shè)計(jì)等能夠達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。