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1、长距离输水管道设计问题探讨第一部分 线路及管材 【经典】【摘要】本文根据作者近年来的设计实践，提出了一些长距离输水管道设计中常见的问题及解决思路。主要有线路选线、管材确定、设计计算等。由于篇幅较长，采用连载形式，本文是第一部分。【关键词】长距离 输水 管道 设计改革开放以来，随着我国社会经济的大幅度增长，人民生活水平不断提高，城镇供水设施逐步完善，城镇供水需求量也越来越大。由于水资源时空分布的不均衡性，许多地区的水资源已不能满足本区工农业生产甚至城镇供水需要，因此出现了许多跨流域、跨地区调水工程。近年来本院参与或主持设计的市政供水项目中就有许多大型长距离输水工程，如天津引滦入津工程、西安黑河引
2、水工程、内蒙东胜供水工程、陕西神东供水工程、新疆库尔勒供水工程等。根据作者近年来的设计实践，就长距离输水管道设计中常见的问题，提出一些解决的思路，与同行共同探讨。1线路选线长距离输水管道的设计选线是一项非常重要而复杂的工作。线路选择的合适与否，对工程投资、系统安全、经营管理等都具有十分重要的意义，有时甚至是决定性的因素。根据室外给水设计规范，输水管渠线路的选择，应考虑尽量缩短线路长度，减少拆迁，少占农田，施工、运行和维护方便等。但对于长距离输水管道系统，只考虑这些因素是远远不够的或不完整的，还应该根据工程所在地的具体情况，进行包含更多相关因素的综合技术经济比较来确定管道线路走向。一般按安全和经
3、济两大原则综合考虑：11安全可靠原则城镇供水工程是城市的生命线工程，关系到千家万户的切身利益和社会稳定。特别是长距离输水管道选线，更应当把安全可靠作为最重要的因素加以考虑，希望尽可能做到：避开不良地质条件地段（断层、滑坡、塌陷、堆积、流沙、盐渍土、沼泽等）；避开重要的交通枢纽（机场、车站、码头、桥梁、铁路、高等级公路等）；避开矿山开采区（包括规划开采区）；避开河流及水利枢纽；避开洪水、泥石流等影响范围；避免线路的大起大伏（防止水锤、气蚀）。现实条件一般不会完全满足设计者愿望的，有时为了绕过局部的不良地段可能对总体线路产生重大的影响。如果不得不通过这些不良地段，就要采取相应的工程措施加以保护。是
4、绕过不良地段还是加以保护措施，关键在于所付出的代价有多大，要通过技术经济比较来确定。12最经济原则最经济的含义，包括了尽量短的线路长度，尽量少的占地和拆迁，尽可能好的施工条件，尽可能低的运行费用等因素，也就是设计规范的最基本要求。一般工程实践中常遇到的重大综合型问题（方案）是：合理确定管道条数。采用单管还是双管，这是系统设计中最主要的方案问题。根据室外给水设计规范（GBJ 13-86 /97版）第5.0.3条之规定：输水干管一般不宜少于两条，当有安全贮水池或其他安全供水措施时，也可以修建一条输水干管。注意四点：一是安全贮水池或其他安全供水措施能保证（70）用水的时间，要与系统修复时间相对应；二
5、是采用其他安全措施（如备用水源、邻区调水等）的启用时间要考虑在内；三是大型工程安全水池的容量将很庞大，一定要有有利的地形地质条件支持；四是要考虑管材的影响，如一条DN1600的钢管或球墨铸铁管加上安全水池的总造价，可能与两条DN1100的玻璃钢夹砂管或钢套筒混凝土管的总造价相当，在其他工作参数许可范围内，不如采用后者更符合安全经济的原则。合理确定双管间距。当采用双管输水时，当然两条管道走不同的线路最安全，但往往是很难实现的。双管共线时，其间距应根据施工需要、连通管阀门井的安装需要确定。考虑到单管一旦损坏需要开挖时，不至于引起相邻管道侧移损坏，最好在两管间留有原状土隔离墙，一般两管之间的净距以不
6、小于2m3m为宜。两管同沟开挖和埋设虽然可节省投资，但不利于安全，故不希望采用。合理利用已有的道路。主要是为了减少施工、运输费用和便于日后的维护管理。但并不是所有情况下利用已有的道路最省钱，要看已有的道路是否顺直以及管线所处的地理地形环境条件。例如已有公路绕行较远或管线位于戈壁、荒漠、平原乡村等地区时，可能沿管线修建施工便道很容易，完工后施工便道稍加修整就可以作为伴行公路，此时沿已有道路布管，可能管长增加较多，反而增加投资。合理设计穿跨越工程。由于穿跨越工程不可能完全避免，更重要的是合理选择穿跨越方案。通过障碍物时应尽量正交；通过铁路、公路时一般以顶管穿越较好；通过宽浅型或季节性河流时，一般以
7、河底埋管穿越较好；通过窄深型的河流时，一般以管桥跨越较好；通过大江大河时，一般采用管桥或顶管方式。合理避让高地或山峰。线路上的高地或山峰，是系统水力设计的控制点，与系统投资、经营费用、管理因素等密切相关。选线时应尽量避开高地或山峰，如线路方向上有高地或山峰，一般有绕行、隧洞穿越、沿山形布置三种方式。此时除要考虑一次性投资以外，还应考虑长期运行费用。如果最高点位于系统所需的动水压线之下（即不形成控制点），线路范围内地形条件许可，以沿山形布置较好；如果最高点位于系统所需的动水压线之上（即形成控制点），沿山形布置时势必增加提升能耗、运行费用和管理环节，可以考虑隧洞穿越或绕行；关键是增加的投资和运行费
8、用之间要权衡轻重，决定取舍，应该通过技术经济比较来确定。无论如何，当安全和经济两大原则发生根本性的冲突时，经济要服从于安全，即技术可行性占主导地位。2管材确定长距离输水管道系统可能使用的管材较多，如卷焊钢管、灰口铸铁管、球墨铸铁管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、现浇钢筋混凝土矩形管道（箱涵）、玻璃钢夹砂管（RPMP）、塑料管（UPVC管）等。灰口铸铁管因其物理力学性能劣于球墨铸铁管，使用性能较差，已被球墨铸铁管所取代。DN400以上管道已基本不生产。预应力钢筋混凝土管虽然管材造价较低，因其制造工艺较复杂、安装及维修难度大、费用高；接口的严密性不宜保证、事故率高、供水安全性
9、差；多用于无压自流管线或低压管线上。较高压力的长距离输水管线上已极少使用。现浇钢筋混凝土矩形管道（箱涵），多用于大口径无压自流输水系统，在长距离有压输水管线上还没有使用先例。塑料管近年来发展很快，种类很多，如UPVC、ABS、PE、PP管材等。塑料管具有内壁光滑不结垢，水头损失小、耐腐蚀、重量轻、加工和接口方便等特征。塑料管（UPVC管、PE管等），在管径DN300以上时，其造价已高于玻璃钢管，目前只生产DN600及以下管径的，在长距离输水管道上使用很少。玻璃钢管是一种新型管材，具有耐腐蚀，水力性能好（粗糙系数小），重量轻（钢材的1左右，预应力钢筋混凝土管的1110），双胶圈接口水密性能好，施
10、工简便。为降低价格，提高管道的刚度，国内一些厂家生产夹砂玻璃钢管，在原水输送和城市给水管网中应用。玻璃钢夹砂管（RPMP）是一种新型管材，目前已大量应用于长距离输水管道。主要优点是：内壁光滑，水头损失小；抗腐蚀性能好，二次污染小；重量轻，安装和运输工作量节约50%以上；接口密封性能好，漏损率低；建厂周期短，投资省，大型工程可在当地建厂；维修方便，使用安全，预期寿命长（可达50年）。主要缺点是： 外载刚度较低，须严格按设计要求回填； 管材价格比钢筒混凝土管略高；适用于较低压力的场合，一般建议PN1.0MPa。钢筒混凝土管（PCCP）是一种针对预应力钢筋混凝土管易爆管、事故率高的缺点，而改造开发的
11、一种较廉价的管材，目前也大量应用于长距离输水管道。(是预应力钢筋混凝土管内放入钢筒，其钢材量比钢管省，价格比钢管便宜。其接口为承插式、承口环和插口环均用扁钢压制成型，与钢筒焊成一体，是一种比较理想的管材。)主要优点是： 管材价格较低； 外载刚度高；防腐蚀性能较好（但抗盐渍土能力差），使用寿命较长。使用压力可达1.6MPa以下。主要缺点是： 十分笨重（如DN2200管道重量约18吨/节），施工道路要求高，运输不便； 安装起吊困难，费用比玻璃钢管高近2倍； 运输时接口及内衬层龟裂破损发生较多，须现场修补；使用中破裂掉块时有发生，影响水质； 建厂周期长、投资高。自应力钢筋混凝土管会后期膨胀，可能使管
12、材疏松，只可用在郊区或农村等水压较低的次要管线上。球墨铸铁管是一种广泛使用的高性能管材，在长距离输水管道中主要应用于水压较高的场合。主要优点是： 强度和刚度均高，适用于压力较高的场合，安全性高； 重量比混凝土管轻； 防腐蚀性能比钢管好，使用寿命较长。主要缺点是：管材价格高，不能当地建厂，须长途运输至工程所在地。目前最大管径2600mm。焊接钢管是物理力学性能最好的管材，多用于高压管线。主要优点是：承压能力高，安全性好；接口严密性好； 管件加工容易，安装难度小；建厂周期短，投资省，大量使用时可在当地建厂。主要缺点是： 管材价格高； 防腐蚀性能较差，需做防腐处理，使用寿命较其他管材短； 现场焊接多
13、，安装工期长，需配置发电机组或沿线架设专用输电线路。上述管材在具体使用条件下各有优劣。应结合经济比较，权衡利弊，进行优化选择。管材的综合技术比较详见表1。管 材 技 术 比 较 表表1比 较 项 目玻璃钢夹砂管 钢筒混凝土管球墨铸铁管钢 管环向拉伸强度高（360 MPa）低（2.1 MPa）较高（150 MPa）最高（480 MPa）轴向拉伸强度较低（55 MPa）低（2.1 MPa）较高（135 MPa）最高（480 MPa）环向外载刚度按设计要求，一般510kPa按设计要求，一般20kPa按设计要求，一般20kPa按设计要求，一般20kPa管道重量最轻（如DN1000管道重约150kg/m
14、）最重（如DN1000管道重约850kg/m）较重（如DN1000管道重约340kg/m）较重（如DN1000管道重约298kg/m） 管 长每节定制长度12m每节定制长度5m每节定制长度68m一般2m,可沟上组焊。接 口双胶圈柔性接口，双密封；可进行接口打压，系统水压试验成功率高。双胶圈柔性接口，双密封；可进行接口打压；管节短，接口数量多。单胶圈柔性接口，单密封；用特制工具可进行接口打压；管节短，接口数量多。焊接刚性接口，焊接口多；需要施工电源。接口严密性好。管壁粗糙度管壁光滑，不易结垢和滋生细菌，n=0.0095。管壁较光滑，内衬易龟裂和脱落，n=0.012。管壁较光滑，内衬易脱落和滋生铁
15、细菌，n=0.012。管壁较光滑，易结垢和滋生铁细菌，n=0.013（有内衬时0.012）。抗腐蚀性能抗腐蚀性能高。适用于盐渍土、沼泽等地区，外壁不须防腐。一般情况下抗腐蚀较好。不防腐或普通防腐，但遇盐渍土时，外壁须进行加强防腐。抗腐蚀较钢管好。一般须普通防腐，高盐或高电场时，需进行加强防腐或附加阴极保护。抗腐蚀较差。一般须加强防腐，高盐或高电场时，需进行特加强防腐和附加阴极保护。抗震能力柔性管道和接口，抗震能力强柔性接口，管材抗震能力较差。柔性接口，抗震能力较好。管材强度高，抗震能力好。抗二次污染内壁光滑抗菌，二次污染最小。内衬层掉块堵塞阀门水表、滋生铁锈，偶有发生。内衬层掉块堵塞阀门水表、滋生铁锈，偶有发生。滋生铁锈和铁细菌，无内衬时，时有“红水”发生。施 工人工及机械台班减少一半以上，回填要求较高。接口保证率高，管件制作容易。运输及起重量最大，人工及机械台班多，接口多，管件配合较困难。运输及起重量较大，人工及机械台班多，接口多，管件配合较困难。运输及起重量大，焊接工作量很大，安装工期长，管件制作容易。使用寿命50年50年50年30年长距离输水管道设计1-孔令勇长距离输水管道设计1-孔令勇