長距離管道輸水風(fēng)險及防范研究

饒明明

廣州市自來水有限公司 廣東 廣州 510600

我國地大物博，自然資源豐富，但由于疆域遼闊，南北跨度大，地形復(fù)雜多樣，存在自然資源分布不均的情況。水是人類生產(chǎn)、生活活動中不可缺少的重要資源，但水資源在我國的分布明顯存在南多北少的問題，即使在雨量充沛的珠三角，東江流域水資源開發(fā)利用率已達(dá)極限，而西江流域水資源是東江的15倍，水資源相對豐富，水資源利用較低。水資源不足不足會影響當(dāng)?shù)毓I(yè)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活。為了改善這一問題，除了自身節(jié)約用水、合理開發(fā)水資源之外，通常還要建立遠(yuǎn)距離調(diào)水工程，利用長距離管道將其他流域的豐富水資源運輸?shù)饺彼畢^(qū)域，從而實現(xiàn)水資源的充分利用、合理分配和科學(xué)調(diào)度，改善水資源分布不均的問題[1]。長距離輸水管道工程最為顯著的特征是“長”，跨越的區(qū)域范圍廣，管線經(jīng)過的地形環(huán)境復(fù)雜，加上氣候變化、運行管理等各種方面的原因，容易出現(xiàn)故障和損壞，增加了長距離輸水的難度。為了保障水資源安全輸送，應(yīng)加強管道的管理維護(hù)，明確長距離輸水風(fēng)險，并做好防范措施。

1 長距離管道輸水的常見風(fēng)險問題

1.1 管道材質(zhì)風(fēng)險

輸水管道的材質(zhì)種類較多，目前我國長距離輸水工程中常用的管道材質(zhì)主要有：鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、預(yù)應(yīng)力混凝土管等[2]。不同的管道材質(zhì)的性質(zhì)、特征不同，通常各有優(yōu)缺點。例如，鋼管具有安裝維護(hù)方便、一定的抗御不均勻沉降能力等優(yōu)點，也有施工速度慢、耐酸堿腐蝕差、造價高等不足；球墨鑄鐵管具有施工方便、承壓力強、抗震性好、密封性好、重量輕等優(yōu)勢，也有抗沉降性能差、耐酸堿腐蝕一般等不足。在實際工程中需要依據(jù)管材特點、地形環(huán)境特點以及工程需求進(jìn)行合理選擇。若管道材質(zhì)選擇不當(dāng)，后續(xù)使用過程中更容易出現(xiàn)管道腐蝕、漏水、移位、下沉等問題，需要頻繁進(jìn)行維修更換，增加了管理維護(hù)的難度和成本，影響管道使用壽命。在實際設(shè)計建設(shè)過程中，不僅需要考慮工程質(zhì)量，還要綜合考慮工程造價、經(jīng)濟(jì)效益等問題，部分單位為了節(jié)約成本，盲目降低了對管道材質(zhì)的要求，導(dǎo)致故障風(fēng)險增加，影響長距離輸水工程的穩(wěn)定運行。

1.2 水錘風(fēng)險

水錘是指管道內(nèi)水流的流速突然發(fā)生變化，導(dǎo)致管道內(nèi)水壓強出現(xiàn)大幅度波動，壓力交替變化，在長距離管道中不斷疊加，產(chǎn)生的強大作用力如同錘子一樣擊打在管壁上，給管壁帶來損傷。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生通常是由于管道閥門突然開閉、水泵突然打開或突然停止所致，常見于停電、設(shè)備故障等事故中，可導(dǎo)致壓力管道內(nèi)壓強驟然變化，引起爆管、管道起皺、閥門損壞、水泵破裂等事故，導(dǎo)致輸水中斷，對整個輸水系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，造成經(jīng)濟(jì)損失[3]。

1.3 氣候與地形風(fēng)險

氣候也是影響長距離管道工程建設(shè)和運行的重要因素。長距離管道跨越的區(qū)域范圍廣，施工線拉得很長，通常情況下需要較長的施工周期，甚至需要經(jīng)過數(shù)年的時間才能完成，期間季節(jié)、氣候的變化都可能對施工造成影響。例如，高溫、冰凍等極端天氣可影響施工材料的性質(zhì)和質(zhì)量，影響水泥混凝土的凝結(jié)，導(dǎo)致工程質(zhì)量達(dá)不到預(yù)期效果；春季潮濕、夏季暴雨以及洪水、滑坡等災(zāi)害也會對長距離管道施工帶來影響和阻礙。若不采取有效的防范措施，將嚴(yán)重阻礙施工進(jìn)度，甚至影響工程質(zhì)量，增加后期使用時的各種故障風(fēng)險。除了復(fù)雜的天氣變化之外，管道經(jīng)過的地形和環(huán)境復(fù)雜也可能帶來一定風(fēng)險。長距離管道跨度長，經(jīng)常需要穿越山區(qū)、農(nóng)田、公路、河流、橋梁等區(qū)域，對建設(shè)施工過程有著更高的要求，若設(shè)計不合理或施工管理不當(dāng)，將影響施工質(zhì)量和后續(xù)運行穩(wěn)定性。而管道埋設(shè)區(qū)域的土壤成分與性質(zhì)也會對管道造成影響。例如管道埋設(shè)的區(qū)域土壤酸堿度較高或含水量大，則可能增加管道腐蝕漏水的風(fēng)險。

1.4 水質(zhì)風(fēng)險

長距離管道輸水多為原水運輸，水源地的氣候、污染等因素都可能對水質(zhì)造成影響。例如上游降雨導(dǎo)致水質(zhì)渾濁；污染導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，微生物和藻類增多。而管道自身在長時間的持續(xù)輸水過程中，管道內(nèi)部容易產(chǎn)生各種藻類、細(xì)菌、貝類、微生物。此外，隨著運行時間延長，管道及相關(guān)輔助設(shè)備逐漸老化，容易出現(xiàn)腐蝕、表皮脫落情況，污染水質(zhì)，導(dǎo)致管道輸水過程中水質(zhì)發(fā)生變化，影響供水區(qū)域的用水安全。

1.5 安全管理風(fēng)險

長距離管道建設(shè)施工是一個大工程，工期長，跨度大，施工環(huán)境復(fù)雜，對于安全管理工作的要求較高。在管道工程后期運行過程中，也需要科學(xué)的維護(hù)管理機制，對長距離管道沿線進(jìn)行巡查，確保輸水安全和穩(wěn)定。若缺乏有效的安全管理，則可能導(dǎo)致施工事故風(fēng)險和運行安全風(fēng)險增加。管道工程施工的門檻較低，并且工作環(huán)境艱苦，具有一定危險性，工資待遇一般，導(dǎo)致人員流動性較強，管理難度高。工人的施工技術(shù)水平、操作經(jīng)驗、操作熟練度、安全意識、質(zhì)量控制意識也存在較大的差異，給管道施工帶來較多不確定性，在一定程度上增加了安全風(fēng)險和質(zhì)量風(fēng)險。而后期運行維護(hù)時，許多巡檢人員自身重視度不足，工作不夠嚴(yán)謹(jǐn)，無法及時發(fā)現(xiàn)輸水管道的風(fēng)險問題，最終導(dǎo)致管線破壞、設(shè)備受損等各種事故的發(fā)生。

2 長距離管道輸水風(fēng)險的防范措施

2.1 管道布置

2.1.1 管線布置

設(shè)計管線是長距離輸水工程建設(shè)中的首要任務(wù)，需要綜合考慮地形地貌地質(zhì)、周圍環(huán)境等各種因素，合理選定管道鋪設(shè)路線。出于經(jīng)濟(jì)性和實用性考慮，應(yīng)盡可能地縮短管線長度，同時也需要盡可能地避開居民區(qū)，減少拆遷，并注意保護(hù)環(huán)境，減少對地形與植被的破壞，少占良田[4]。復(fù)雜的地形和環(huán)境下管道施工難度高，并且故障風(fēng)險高，維修難度大，因此設(shè)計管線時需盡量避開復(fù)雜地形環(huán)境，避免與河流、道路發(fā)生交叉，選擇地形平緩開闊、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、土壤成分良好的區(qū)域敷設(shè)管道，可沿著原有道路進(jìn)行修建，方便后期維護(hù)檢修。設(shè)計管線時需注意避免不同節(jié)段管道之間的高度差過大，當(dāng)?shù)匦胃叨茸兓髸r，應(yīng)劃分多個壓力段，仔細(xì)計算各節(jié)段管道的工作壓力，以免管道承壓大，長期高負(fù)荷運行導(dǎo)致?lián)p壞風(fēng)險增加。此外，還需注意調(diào)查周圍區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害情況，避開洪水沖刷區(qū)、滑坡泥石流多發(fā)區(qū)。

2.1.2 管材選擇

管道材質(zhì)的選擇應(yīng)當(dāng)以科學(xué)合理為原則，不單考慮某一方面的需求，而是綜合各方面影響因素進(jìn)行全面考慮、深入分析，包括:管線周圍地形地質(zhì)環(huán)境因素、輸水距離、輸水需求、投資成本、施工安裝難度、現(xiàn)場施工條件、管徑大小、管道內(nèi)外壓力等。通過全方位、多角度的分析研究，選擇質(zhì)量合格、性能良好、性價比高、經(jīng)濟(jì)實用的管道材質(zhì)，在滿足輸水需求，保障工程質(zhì)量的同時節(jié)約成本，實現(xiàn)利益最大化。例如，易沉降地質(zhì)的區(qū)域、轉(zhuǎn)彎較多的情況，宜采用柔性較好的焊接鋼管；地形地質(zhì)環(huán)境比較簡單穩(wěn)定的區(qū)域，可采取造價相對較低的預(yù)應(yīng)力鋼筒鋼筋混凝土管。應(yīng)注意避免為了控制造價而盲目選擇即將淘汰的管道材質(zhì)，舍本逐末造成更大的損失。在施工安裝過程中，工作人員也需注意對管道材料和質(zhì)量進(jìn)行檢查，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)口，確保管道質(zhì)量符合要求，能夠達(dá)到預(yù)期使用壽命。

2.1.3 管徑確定

在長距離管道輸水過程中，管徑的大小對輸水質(zhì)量、效率、安全性有著較大的影響。大管徑的水頭損失較小，可利用水頭高。小管徑水頭損失大，可利用水頭低，輸水效率相對較慢。而大管徑管道的施工成本、材料成本大于小管徑管道，隨著管徑越大，長距離管道輸水工程的整體造價就越高，而且輸水管的管徑也并非越大越好。例如，鋼管的焊接點是薄弱環(huán)節(jié)，隨著管徑增大，這一薄弱環(huán)節(jié)也會被不斷放大，增加損壞風(fēng)險。在實際項目中，需要考慮投資大小、供水需求、施工條件等因素，選定適宜的管徑大小。在管道施工時，尤其是大管徑的管道施工過程中，需加強施工質(zhì)量控制，在溝槽回填時采用分層分區(qū)控制方法，嚴(yán)格把控每一個回填區(qū)域的施工質(zhì)量，確保管道外部壓力穩(wěn)定，對管道形成良好保護(hù)作用，具體分層分區(qū)如圖1所示。

2.2 安全工程措施

2.2.1 預(yù)防氣候、地形、水質(zhì)帶來的不利影響

長距離管道工程施工前，需要全面分析氣候因素、地形環(huán)境因素帶來的影響，制定科學(xué)合理的應(yīng)急預(yù)案，明確各種氣候條件下該采取怎樣的預(yù)防措施，是否需要暫停施工，從而避免各種天氣下隨意施工帶來的質(zhì)量問題。施工過程中也需密切關(guān)注氣候變化，建立合理的預(yù)警反應(yīng)機制，做到早發(fā)現(xiàn)，早預(yù)防，早處理，避開不利天氣進(jìn)行施工對于地形復(fù)雜的區(qū)域，需要進(jìn)行全方位的勘探和分析，合理規(guī)劃管道路線和施工方法，采取多點交叉施工，降低復(fù)雜地形環(huán)境對于管道施工的影響。此外還需注意檢測土壤含水量、酸堿度等指標(biāo)，針對性調(diào)整施工方案、施工材料，在土壤腐蝕性較強的區(qū)域應(yīng)對管道采取適當(dāng)保護(hù)措施，降低管道腐蝕損壞的風(fēng)險。在長距離管道輸水過程中，也需加強對水質(zhì)的控制，關(guān)注水源地氣候變化，日常進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)水質(zhì)渾濁、水源污染以及藻類、微生物過多的情況。若下游檢測水質(zhì)不合格，則需在輸水管道適當(dāng)位置進(jìn)行加藥處理，凈化管道，減少管道中泥沙沉積、藻類生長、微生物附著等問題，提高輸水質(zhì)量，確保水質(zhì)安全合格，為供水區(qū)域居民生產(chǎn)生活用水的安全提供保障。

2.2.2 降低水錘破壞

水錘現(xiàn)象對長距離管道有著極大的破壞力，產(chǎn)生較大的爆裂事故風(fēng)險，威脅著整個輸水工程的正常運行。在長距離管道的安全工程中，預(yù)防水錘風(fēng)險是重中之重，行業(yè)內(nèi)已探索出多種有效的安全防范措施，主要可歸類為泵閥優(yōu)化或增加輔助設(shè)備，具體包括:（1）通過擴(kuò)大管徑控制管道內(nèi)水流流速，防止閥門或水泵開閉時水流流速突然產(chǎn)生巨大變化，引起內(nèi)部壓強波動。但該方法的弊端在于擴(kuò)大管徑的成本太高，目前在實際工程中應(yīng)用較少。（2）選用大轉(zhuǎn)動慣量的水泵、水泵軟啟動裝置、變頻設(shè)備等方式，都可以有效降低水錘壓力，降低水錘危害。（3）在長距離管道的關(guān)鍵區(qū)域，如泵站等位置設(shè)置調(diào)壓塔、調(diào)壓箱等調(diào)壓裝置，從而有效消除水錘，還有利于處理死水、冰凍等問題。（4）利用快閉式止回閥阻止液柱回流，增大回流阻力，降低回流量和回流位移，或安裝各種類型的水錘消除器、泄壓保護(hù)閥等設(shè)備，可有效防止水錘風(fēng)險[5]。（5）安裝空氣閥之類的設(shè)備對管道內(nèi)水壓強進(jìn)行調(diào)節(jié)，減少大幅度波動，維持水壓強的平衡穩(wěn)定，從而預(yù)防水錘現(xiàn)象。如今技術(shù)越來越發(fā)達(dá)，在實際工程中，應(yīng)積極利用相關(guān)專業(yè)軟件建立水錘模型，進(jìn)行水錘現(xiàn)象場景模擬，評估管道水壓、水錘風(fēng)險程度等，從而制定適宜的水錘預(yù)防方案，有效消除水錘并控制成本。

2.2.3 強化安全管理

為了保障長距離管道的安裝施工質(zhì)量和安全性，相關(guān)建設(shè)單位必須重視安全管理工作，在施工前，需對工程項目進(jìn)行整體規(guī)劃，制定施工進(jìn)度計劃，細(xì)分各個施工環(huán)節(jié)，明確各環(huán)節(jié)技術(shù)要求、質(zhì)量要求、安全管理要求，在現(xiàn)場施工時采取對應(yīng)的管理模式，提高安全管理的針對性。在人員方面需提前開展技術(shù)培訓(xùn)與安全教育，將責(zé)任細(xì)分至個人，對各崗位提出具體的要求，從而使工人的施工操作更加科學(xué)規(guī)范，確保施工質(zhì)量穩(wěn)定，降低施工安全風(fēng)險和后續(xù)運行風(fēng)險。長距離管道輸水工程運行過程中也需加強安全管理，安排專業(yè)的巡線人員負(fù)責(zé)管理工作，確保每一段管線和設(shè)備都有專人負(fù)責(zé)維護(hù)管理，維護(hù)管線系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。巡線人員需在管線周圍進(jìn)行周密巡查，觀察是否存在滲水、冒水、沉陷等情況，若發(fā)現(xiàn)異常需立即上報，安排專人進(jìn)行全面檢查和維修處理，以免問題進(jìn)一步擴(kuò)大，帶來更嚴(yán)重的不利影響。巡線人員需注意監(jiān)督檢查管理范圍內(nèi)的建筑施工行為，確保均為合法施工，尤其在管線周圍進(jìn)行管道跨穿工程施工時，必須經(jīng)過嚴(yán)格審批，施工期間巡檢人員也需在旁進(jìn)行監(jiān)督，避免施工機器誤觸管道，導(dǎo)致輸水管線受損，進(jìn)而影響整個長距離輸水工程的運行。對于未經(jīng)審批的違法施工行為，巡檢人員需及時予以阻止，防止管道遭到人為破壞。

3 結(jié)語

總而言之，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展越來越快，長距離輸水工程施工技術(shù)越來越成熟先進(jìn)，應(yīng)用越來越廣泛，工程數(shù)量逐漸增多，極大地改善了缺水區(qū)域和城市的困境，同時也使長距離管道輸水風(fēng)險及相關(guān)防范措施受到越來越多的關(guān)注。相關(guān)建設(shè)單位首先應(yīng)明確各種輸水風(fēng)險及其影響因素，針對性采取有效防范措施，需合理選擇管道材質(zhì)和管徑，合理設(shè)計管道路線，并針對氣候影響、地形影響、水錘風(fēng)險設(shè)置安全工程，提高輸水工程的整體質(zhì)量，同時加強日常維護(hù)管理，維持長距離管道輸水工程的安全穩(wěn)定運行。