某備用水源輸水管道設(shè)計(jì)方案分析

黃文圻

中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610000

長(zhǎng)距離的輸水管道在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)有不斷變化的設(shè)計(jì)輸入，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合施工操作、運(yùn)輸安裝、管理運(yùn)行等方面進(jìn)行綜合考慮，現(xiàn)就對(duì)某一輸水管道的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，并根據(jù)項(xiàng)目自身的特點(diǎn)提出一些設(shè)計(jì)建議。

1 工程概況

某自來(lái)水廠原取水水源單一，若取水水源發(fā)生水質(zhì)污染、水質(zhì)超標(biāo)等情況，將造成城市供水中斷，居民生產(chǎn)和生活用水難以得到保障，對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)將會(huì)造成嚴(yán)重的影響。現(xiàn)另尋一水源，建設(shè)一條輸水管道作為自來(lái)水廠的備用水源，以保證自來(lái)水廠在原主水源不能供水的情況下能夠正常運(yùn)行，保障基本民生。本文就輸水管道的全程設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述及分析[1]。

2 工程設(shè)計(jì)方案

2.1 管材選擇

常用的給水管有鋼管、球墨鑄鐵管、PE管等。其中鋼管優(yōu)點(diǎn)是承壓能力大，具有較強(qiáng)的韌性，不易斷裂，管件品種齊全，鋪設(shè)方便等，缺點(diǎn)是價(jià)格高，易腐蝕；球墨鑄鐵管常用于中小口徑輸水管道，具有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，且有很好的抗腐蝕能力，抗震性能較好，但管體相對(duì)笨重，安裝時(shí)需運(yùn)用機(jī)械，安裝要求高；PE管重量輕，具有良好的耐腐蝕性、韌性好、撓性好，但是抗壓耐壓強(qiáng)度較低，抗沖擊性較差，對(duì)紫外線較敏感，一般用于低壓力小直徑的管材。

本工程輸水管道設(shè)計(jì)流量q=1.27m3/s，管道全長(zhǎng)約6400m，管道起點(diǎn)與終點(diǎn)的水頭差約為66m，屬于長(zhǎng)距離大管徑輸水工程。管材的選擇與當(dāng)?shù)貧夂?、地形地貌、?xiàng)目地交通條件、項(xiàng)目造價(jià)以及市場(chǎng)使用和發(fā)展情況等均有關(guān)系。本項(xiàng)目輸水線路地貌多樣化且地形起伏較大，部分管道甚至?xí)┰胶拥?，?fù)雜的地質(zhì)條件對(duì)管材的性能要求很高?？紤]到本項(xiàng)目的實(shí)際地質(zhì)情況，為便于工程材料的運(yùn)輸及安裝并保證供水管道的安全性，本工程采用管材性能最好的鋼管。

2.2 管道水力計(jì)算

根據(jù)已有水力設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行管徑的選擇并進(jìn)行相應(yīng)水力計(jì)算以選擇合適的管徑。

設(shè)計(jì)輸入：q=1.27m3/s，水頭差△h=66m，管道長(zhǎng)度L=6400m

管徑試算：

當(dāng)管徑D=920mm時(shí)，v=1.99m/s，△hl＝40.7m

當(dāng)管徑D=1020mm時(shí)，v=1.62m/s，△h2＝23.3m

選用D=920mm的鋼管時(shí)，總水頭損失較大，若選用D=1020mm的鋼管，總水頭損失較小，由于本工程水壓來(lái)自于管道起點(diǎn)和終點(diǎn)的自然水頭差，無(wú)需人為提供水壓，因此可選用D=920mm的鋼管，減少管道的工程投資，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

由于本工程的管道線路地形起伏較大，起點(diǎn)與終點(diǎn)之間有多個(gè)山脊，在進(jìn)行管道豎向高程布置時(shí)，管道始終要布置于水力坡降線以下，方能保證管道能正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)管道進(jìn)行水力復(fù)核，D=920mm鋼管能始終布置于管道水力坡降線以下，滿足管道水力要求。同時(shí)根據(jù)管道工作壓力按照最不利工況選擇管道壓力等級(jí)的原則，綜合水力計(jì)算結(jié)果，根據(jù)不同地段、不同敷設(shè)方法、不同工作壓力，分段確定管壁厚度。

2.3 管道敷設(shè)

該輸水管道線路地形復(fù)雜，會(huì)經(jīng)過(guò)茶園、果林、河道、民居、市政道路等地段，管道在敷設(shè)時(shí)需根據(jù)具體地質(zhì)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，提高工程的可行性與經(jīng)濟(jì)性。管道敷設(shè)于茶園下時(shí)，管道的覆土厚度1m即可；在經(jīng)過(guò)果林時(shí)，覆土厚度可達(dá)到1.2m；而在經(jīng)過(guò)市政道路時(shí)，覆土厚度可設(shè)置為1.5m；在經(jīng)過(guò)民居時(shí)，由于客觀條件管道不能深埋，管道可采用混凝土包封并進(jìn)行淺埋，有些不適宜管道埋地的路段，管道可采用明管包封的形式；而對(duì)于過(guò)河的管道可采取河底穿越以及河面跨越兩種方式。

河底穿越即采取倒虹管的形式，需根據(jù)工程實(shí)際情況選擇施工難度較小的方案，管線宜設(shè)在河道較窄、河床及兩岸岸坡穩(wěn)定且坡度較緩處，根據(jù)水流沖刷等情況，倒虹管敷設(shè)在河床下的深度一般管頂距河床底面的距離不小于0.5m，在航運(yùn)范圍內(nèi)不得小于1.0m，同時(shí)需滿足抗浮要求。

當(dāng)工程采用倒虹管形式實(shí)施困難時(shí)也可采用河面跨越管道。本工程部分過(guò)河管道采用了拱管式河面跨越，拱管在其最高點(diǎn)需設(shè)置排氣閥。其優(yōu)點(diǎn)是利用鋼管本身作為承重結(jié)構(gòu)，節(jié)省支承材料，施工方便，缺點(diǎn)是視覺上不夠美觀。

管道過(guò)河的方式較多，各種方式均有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，在工程實(shí)施中要根據(jù)工程本身情況綜合考慮選擇合適的方式。

管道設(shè)計(jì)還需根據(jù)工程實(shí)際情況考慮保溫措施。本工程所在地區(qū)在冬季不需要采取保溫措施，如遇寒冷地區(qū)，管道的埋深需根據(jù)地區(qū)冰凍線確定，如無(wú)法滿足冰凍線的埋深要求，管道可采用聚氨酯發(fā)泡，保溫巖棉等形式保溫。

2.4 管道防腐

管道沿線的土壤以及運(yùn)輸?shù)乃畬?duì)于鋼管本身均有一定的腐蝕作用，因此鋼管的防腐十分重要，做好防腐措施才能保證其使用年限。

鋼管防腐分為外防腐及內(nèi)防腐，為保證工程質(zhì)量，管體的內(nèi)外防腐層宜在工廠內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)連接的補(bǔ)口需按相關(guān)設(shè)計(jì)要求處理。

(1)鋼管內(nèi)防腐

鋼管內(nèi)防腐常用的防腐材料有水泥砂漿、液體環(huán)氧涂料，本工程的鋼管管徑為D920mm，可采用水泥砂漿防腐，其具有防腐性能可靠、水力條件優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)效益明顯等優(yōu)勢(shì)。

(2)鋼管外防腐

埋地鋼管的常用外防腐涂層材料主要有石油瀝青、環(huán)氧煤瀝青以及環(huán)氧樹脂玻璃鋼等。

本工程選用適應(yīng)性和可靠性較好的環(huán)氧煤瀝青作為輸水管道的外防腐材料，其防腐層構(gòu)造可分為普通級(jí)（三油）、加強(qiáng)級(jí)（四油一布）和特加強(qiáng)級(jí)（六油二布）三個(gè)等級(jí)。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，本工程采用特加強(qiáng)級(jí)環(huán)氧煤瀝青外防腐。其結(jié)構(gòu)為底漆--面漆--面漆、玻璃布、面漆--面漆、玻璃布、面漆--面漆，干膜厚度≥0.60mm。玻璃布要拉緊，表面需平整，無(wú)皺折和鼓泡，若出現(xiàn)鼓泡，可用小刀將其割破，擠出泡內(nèi)空氣。

2.5 管道陰極保護(hù)

金屬管道埋在土壤中容易發(fā)生腐蝕，是金屬的一種正常現(xiàn)象。特別是金屬管道防腐層未做好則會(huì)加快管道的腐蝕速度。埋地的鋼管通常采用涂層和陰極保護(hù)兩種方式聯(lián)合防腐。陰極保護(hù)有犧牲陽(yáng)極法和外加電流法兩種方法。本工程采用犧牲陽(yáng)極法，該法的優(yōu)點(diǎn)是成本低、施工維護(hù)簡(jiǎn)單，安全可靠，對(duì)其他地下金屬設(shè)施電干擾少，管理方便，陽(yáng)極壽命可達(dá)20年以上。

影響埋地鋼管腐蝕速度的因素是多方面的，主要取決于土壤的性質(zhì)，而土壤電阻率是判斷土壤腐蝕性的最基本參數(shù)，也可作為犧牲陽(yáng)極種類的選擇依據(jù)[2]。

2.6 水錘計(jì)算

在有壓管道中，由于某種外界原因（如閥門突然關(guān)閉、水泵機(jī)組突然停止）使水的流速突然發(fā)生變化，從而引起水擊，這種水力現(xiàn)象稱為水擊或水錘。水錘容易導(dǎo)致水泵、閥門以及管道的破壞，嚴(yán)重影響工程的正常運(yùn)行。為了減少水錘產(chǎn)生的影響，需在管路中采取一系列有效措施，并在必要時(shí)安裝相應(yīng)設(shè)備。

(1)降低管內(nèi)水的流速，可在一定程度上降低水錘壓力，但會(huì)增大輸水管管徑，增加工程投資，經(jīng)濟(jì)性較差。

(2)輸水管線布置應(yīng)結(jié)合地形綜合考慮，盡量減少駝峰或坡度劇變的設(shè)計(jì)，降低水錘發(fā)生的可能性。

(3)若用泵取水時(shí)，停泵時(shí)泵的幾何揚(yáng)程與水錘影響的大小也有關(guān)系。泵的幾何揚(yáng)程越高，停泵時(shí)水錘值也越大。因此，應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選用合理的水泵揚(yáng)程。

(4)啟泵時(shí)水泵出口閥門不要一下全部打開，否則會(huì)產(chǎn)生很大的水沖擊。

(5)安裝水錘消除器。水錘消除器可在管道正常運(yùn)行時(shí)有效地消除具有破壞性的沖擊波，達(dá)到保護(hù)管道系統(tǒng)的目的，但要注意水錘消除器的安裝一定要規(guī)范。

(6)延長(zhǎng)開閥和關(guān)閥時(shí)間。閥門的快速開關(guān)是產(chǎn)生水錘的一個(gè)重要因素，延長(zhǎng)開關(guān)閥門時(shí)間也能有效地減少水錘對(duì)管道系統(tǒng)地影響。

本工程輸水管道是重力取水，而且管線布置合理，且DN900的手動(dòng)蝶閥開啟關(guān)閉時(shí)間較長(zhǎng)，故產(chǎn)生水錘的可能性較小或水錘產(chǎn)生后的危害性較小。

2.7 附屬設(shè)施

根據(jù)本工程實(shí)際情況，需設(shè)置鎮(zhèn)墩、架空支墩、排（進(jìn)）氣閥、排水閥、檢修閥門及人孔、流量計(jì)等管道附屬設(shè)施。

本工程有部分管道埋于陡坡處，為保證管道的穩(wěn)定性需設(shè)置鎮(zhèn)墩，一般可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，也可通過(guò)精確計(jì)算確定鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)。

當(dāng)管道由于地形原因需要架空時(shí)，則需要設(shè)置架空支墩，相關(guān)支墩的設(shè)計(jì)可結(jié)合《自承式平直形架空鋼管》（05S506-1）進(jìn)行計(jì)算確定。

當(dāng)管道內(nèi)含有大量空氣時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣阻，影響管道的正常水力流態(tài)，因此需在輸水管道的隆起點(diǎn)和平直段的必要位置上設(shè)排（進(jìn)）氣設(shè)施。當(dāng)管線布置平緩時(shí)，可間隔1km左右設(shè)置一個(gè)排（進(jìn)）氣設(shè)施。選用復(fù)合式排氣閥，不但可排除管內(nèi)的空氣，同時(shí)當(dāng)管道因停泵以及放空時(shí)，管道內(nèi)會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓引起管道的振動(dòng)或破裂，這時(shí)排（進(jìn)）氣閥就會(huì)迅速把空氣吸入管內(nèi)，防止管道產(chǎn)生振動(dòng)或破裂。排（進(jìn)）氣閥的大小一般可取輸水管道直徑的1/8~1/5。

管道輸送的水中會(huì)含有部分雜質(zhì)，在輸水過(guò)程中這些雜質(zhì)可能會(huì)沉積在管內(nèi)，長(zhǎng)期以往會(huì)影響管道的正常運(yùn)行，降低管道輸水能力。在輸水管道的低洼處設(shè)置排水閥可排放管道中的殘留水及部分雜質(zhì)，特別是對(duì)于含沙量大的水，排水閥的設(shè)置可降低下游管道中沙的含量，提高輸送水的水質(zhì)。在市政道路給水管道中，排水閥的出水可通過(guò)排泥濕井溢流至最近的雨水口中，而在野外的輸水管道中，排水閥可直接接至河溝或其他合適的水域，具體設(shè)計(jì)可由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。排水閥的大小一般取輸水管直徑的1/5~1/3。

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管道，需設(shè)置檢修閥門，閥門的間距需根據(jù)事故搶修允許的排水時(shí)間確定，并結(jié)合地形等綜合考慮。一般管道起點(diǎn)、終點(diǎn)以及穿越河道等特殊節(jié)點(diǎn)需按照有關(guān)規(guī)定設(shè)置閥門。如果人能進(jìn)入管道，管道也應(yīng)在必要的位置設(shè)置檢修人孔，方便管道的維護(hù)。

本工程為備用水源輸水管道，輸送的水量需根據(jù)自來(lái)水廠的需水量確定，由于采取自然水頭取水，需在管道末端對(duì)水量進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)并進(jìn)行管道水量的調(diào)整[3]。

2.8 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需遵循以下原則

①應(yīng)根據(jù)輸水方式、地形、工程地質(zhì)、交通運(yùn)輸、經(jīng)濟(jì)性、可行性等條件，經(jīng)多方案比較后選擇線路走向。②管道布置應(yīng)少占農(nóng)田和不占良田。在通過(guò)農(nóng)田時(shí)，應(yīng)結(jié)合農(nóng)田水利等規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)。③線路走向應(yīng)力求順直，宜沿道路定線。④管道應(yīng)盡量避免經(jīng)過(guò)地形起伏過(guò)大區(qū)域，盡量選擇平緩的地形。⑤管道應(yīng)盡量避開滑坡、崩塌、泥石流、沼澤、池塘、河谷等工程地質(zhì)不良地段以及高地下水位地區(qū)、河流淹沒(méi)和沖刷地區(qū)等。當(dāng)受條件限制必須通過(guò)時(shí)，應(yīng)采取可靠防護(hù)措施，綜合考慮工程的安全性、可行性以及經(jīng)濟(jì)性。⑥盡量減少與天然或人工障礙物交叉。當(dāng)必須與河流、湖泊、公路、鐵路等交叉時(shí)，應(yīng)盡可能利用現(xiàn)有穿跨越設(shè)施，同時(shí)不宜通過(guò)廠礦企業(yè)等特殊地區(qū)。

(2)不同地質(zhì)情況管道設(shè)計(jì)

本工程管道沿線地形復(fù)雜，需根據(jù)不同的地質(zhì)條件采用不同的結(jié)構(gòu)形式，下簡(jiǎn)單羅列幾種不同地質(zhì)狀況時(shí)采取的結(jié)構(gòu)處理方式。

①管道沿斜坡和沖溝敷設(shè)，若斜坡的坡體主要由素填土組成且素填土回填時(shí)間超過(guò)十年，坡體自重固結(jié)基本完成，具有一定的承載力，但填土邊坡仍受流水沖刷容易局部垮塌。建議管道考慮采用素填土作為管道持力層，但采用素填土作為持力層時(shí)應(yīng)復(fù)核地基承載力，沖溝底部的軟土不能作為地基持力層，應(yīng)提前清除，沖溝附近建議對(duì)管道進(jìn)行防護(hù)。②管道沿河道敷設(shè)時(shí)，若河道底部有少量軟塑狀粉質(zhì)粘土，且粉質(zhì)粘土層下是砂巖時(shí)。建議管道采用強(qiáng)風(fēng)化砂巖作為地基持力層，同時(shí)應(yīng)注意防沖刷處理，管槽開挖時(shí)應(yīng)注意河岸邊坡的穩(wěn)定性，必要時(shí)可設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)對(duì)河岸邊坡進(jìn)行支擋。③管道穿越河流，河底有基巖裸露時(shí)，管道可埋置于河底的砂巖中，放坡開挖的比例可采用1:0.5~1:1.0，且管道的埋深要大于河流的沖刷深度。

(3)溝槽開挖

溝槽開挖時(shí)應(yīng)按照設(shè)計(jì)文件規(guī)定的線路位置和坡度，同時(shí)應(yīng)符合施工驗(yàn)收規(guī)范的要求，溝壁的坡度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)條件確定（必要時(shí)可采取溝槽支撐）。

本工程除素砼包封與架空外，管道基礎(chǔ)根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置砂墊層。本次設(shè)計(jì)基礎(chǔ)砂墊層厚度200mm。管道回填材料除基礎(chǔ)墊層外，其余材料盡量就地取材，采用破碎后的巖石，現(xiàn)場(chǎng)加工為符合相關(guān)規(guī)范要求的石屑回填，提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

2.9 管道試壓

管道在正式運(yùn)行前需進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以保證管道后期能進(jìn)行正常運(yùn)行。

管道試壓需待最后一個(gè)焊接接口完畢一個(gè)小時(shí)以上方可進(jìn)行，長(zhǎng)度不宜大于1km。試壓前需清除管道內(nèi)的雜物，從下游向管道內(nèi)緩慢注水，同時(shí)打開排氣閥，以排除管道內(nèi)的氣體。

不同管材的試驗(yàn)壓力均不一樣，與管材的類型及工作壓力P有關(guān)。若工程采用兩種或兩種以上管材時(shí)，宜根據(jù)不同管材的試驗(yàn)要求分別進(jìn)行試驗(yàn)。本工程全部采用鋼管，其試驗(yàn)壓力應(yīng)為P+0.5 MPa，且試驗(yàn)壓力不得小于0.9MPa。若輸水管道為球墨鑄鐵管，當(dāng)其工作壓力P≤0.5 MPa時(shí)，其試驗(yàn)壓力為2P，當(dāng)工作壓力P >0.5 MPa時(shí)，其試驗(yàn)壓力應(yīng)為P+0.5。若輸水管道為化學(xué)建材管，工作壓力P≥0.1 MPa，其試驗(yàn)壓力應(yīng)為1.5P，且不小于0.8 MPa。

2.10 輸水管道運(yùn)行

管道施工完畢后進(jìn)行初次運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意，為防止管道產(chǎn)生水錘現(xiàn)象，管道的進(jìn)水閥門不宜開啟過(guò)快，減小開啟度，若閥門開啟速度過(guò)快，開啟度過(guò)大，管道進(jìn)水的速度太快，原管道內(nèi)的空氣來(lái)不及排空，會(huì)局部形成較大的氣水壓，造成水錘現(xiàn)象，容易爆管。管道首次充水時(shí)可同時(shí)開啟管道的排氣閥，管內(nèi)注滿水后方可將進(jìn)水控制閥門全部開啟[4]。

2.11 其他

為保證管道系統(tǒng)能正常運(yùn)行，避免遭受意外破壞，在必要的位置可設(shè)置標(biāo)識(shí)標(biāo)牌，起到提醒作用。管道上的附屬設(shè)施在滿足其功能的前提下盡量安裝在容易操作的位置，法蘭等零件需盡量設(shè)置在檢查井內(nèi)，避免直接埋在土中，以免銹蝕，影響使用壽命以及管道的正常運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以某一備用水源輸水管道為例，闡述了輸水管道中需要涉及的相關(guān)設(shè)計(jì)內(nèi)容。不同工程的實(shí)際情況不同，不能一概而論，設(shè)計(jì)人員需結(jié)合工程自身特點(diǎn)確定工程的最終設(shè)計(jì)方案，在設(shè)計(jì)過(guò)程中以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。希望本文對(duì)其他類似工程的設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。