供水工程长距离输水管道设计要点探析

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1、供水工程长距离输水管道设计要点探析摘要：随着我国城市化进程的加快，城市单一供水水源的水质水量问题日益 突出。科学、合理的进行水资源分配，打破区域供水限制，可以有效解决上述问 题。目前，许多城市已经建成或正在建设一定规模的长距离输水工程，以更合理 地配置有限的水资源，保障居民生活生产用水安全。长距离输水管道的优化设计 对供水工程的安全性、可靠性和经济性具有重要意义。本文主要分析了长距离输 水管道设计要点展开探讨，仅供参考。关键词：长距离输水；管道设计；要点引言：随着经济的快速发展，我国的自然环境越来越差。在水资源短缺、地 域分布不均的今天，如何提高水资源利用率，保障居民日常用水，成为摆在水利 工

2、作者面前的难题。随着水资源需求的不断增加和居民用水需求的不断提高，远 距离供水工程的应用越来越广泛。为了尽可能提高供水效率，必须从各个方面入 手，严格控制工程中的每个环节。1长距离输水管道工程特点1.1 便捷的管道管理长距离输水管道工程主要通过输水管道提供水资源。由于管道长期埋于地下 水资源密封性好，在输水过程中几乎不存在渗漏和蒸发现象，使水资源得到了很 好的保护和有效利用。同时，如果将管道埋在地下，可以避免偷水现象，降低现 场检查的强度，有利于施工单位的管理。1.2 节约土地资源输水管道虽然将永久性占用安全监测房、气阀井等建设用地，但只占用少量 土地，大部分为临时构筑物和施工设施。因此，管道

3、建设占用的土地资源很少。 在一定程度上，有效节约了土地资源，增加了城市建设的可用空间，有利于城市 开发建设。1.3 长距离供水管道设计优化输水管道能否顺利进行输水，取决于管道设计是否合理，管道材料是否合适。 对于长距离供水工程，管道设计的最终方案直接关系到整个工程的资金投入。因 此，做好管道设计优化对整个工程具有十分重要的意义。因此，如何在控制投入 的基础上，尽可能地提高管道的铺设质量，成为工程设计人员面临的一个难题。 水利工程设计人员应结合不同材料的经济技术因素、地形数据，合理规划整个过 程。更具体地说，要保证管道的排水量达标，管道的布置和地形要控制在国家标 准的要求之内。在选择输水管道直径

4、时，应根据水力条件进行选择。2长距离供水工程输水管道材质分析2.1 经济分析为了更好地满足不同地区的供水需要，需比较不同材料之间的差异，以便更 好地选择输水管道材料，降低长距离输水工程的工程成本，提高长距离输水工程 的经济效益。分析不同材料之间的经济性差异，采用年度固定投资法和动态投资 法对其经济性进行计算，从而选出经济效益最高的材料，从而降低长距离供水工 程的成本，提高供水工程的效率。2.2 技术分析对于长距离供水工程，应根据不同情况选用不同的材料。设计师要从实际出 发，根据不同的环境选择合适的材料。如在工程的承压能力中，钢管的承压能力 明显强于其他钢管，其密封性能较好，能更好地适应高压环境

5、。在承压能力比较 中，玻璃钢夹砂管的承压能力最弱。其次，在接口的连接形式上，这些材料也有 各自的区别。其中，钢管采用硬性焊接连接，而对混凝土管的要求更为严格。必 须进行双密封插装，要求水平高。聚乙烯 PE 管用热熔或胶粘方式连接，玻璃钢 夹砂管用手糊方式连接。这些材料对地基土也有不同的要求，其中钢管的依赖性 较差，一般的地基条件都能满足要求，其他三种材料的地基要求偏高，管道安装 前必须满足一定的要求。在管道安装过程中，钢管对沟槽有严格的要求，而混凝 土管则要求沟槽有坚硬的基础或其他支撑。另外两种材料对管沟的要求较高，只 有在绝对符合条件的基础上才能使用。总之，在技术上，不同的材料在不同的项 目

6、中有很大的差异。设计人员应合理选择材料，确保输水管道符合工作标准。3 工程实例分析3.1 工程概况某供水工程主要为工业园区供水，线路长度约68km，设计流量为4ms/s,工 程设计采用单管供水，设计管径2m，末端修建事故备用水库。由于管道首端高程 为670m，园区用水高程约800m，故需修建1座加压泵站。工程为工业园区供水, 工程区整体地形为南高北低，东高西低，该规划工业园区位于东南的山前冲洪积 区，山前冲洪积区有东西向已建道路可至工业园区，在建铁路基本与道路平行， 道路及铁路以北约1km为煤矿规划开采区，水源为西北方向冲洪积下游的平原水 库（水位高程 670m）。3.2 管线布置原则1）供水

7、线路应尽可顺直，输水线路长度尽量短、地形起伏小、土石方工程 量少，减少跨（穿）越障碍次数、避免沿途重大拆迁、少占农田和不占农田。2）输配水管线走向和位置应符合城市和工业企业的规划要求，并尽量沿现 有道路或规划道路布置，以利于施工和维护。管线末端备用水池的位置应靠近产 业园区，并实现向园区及下级管网自流供水。3）管线应尽量避免穿越河谷、山脊、沼泽、重要铁路和泄洪地区，并注意 避开地震断裂带、沉陷、滑坡、塌方以及易发生泥石流和高侵蚀性土壤地区。4）合理利用地形条件产生的水位差，结合沿线条件优先考虑重力输水。如 因地形等影响必须加压输水时，应尽量较少扬水管道长度，通过工程布置选择水 力条件较优的布置

8、方案。5）应尽量避开各类矿区，无法避开时，管线布置应管线时避开浅埋露天矿 区，油田开采区。6）尽可能减少与现状公路及规划道路交叉，可与公路、铁路并行布置。7）应根据设备和管材选用情况，结合运行费用分析选择经济合理的线路。根据工程区的地形及园区位置及矿产分布，线路布置选择自平原水库向南至 山前冲洪积区道路附近的稳压水池，稳压水池水位835m，该段为扬水管道，长度 12km。稳压水池后管线向东沿道路及规划铁路北侧布置，直至工业园区附近事故 备用水库，重力自流段长度56km，事故备用水库正常水位为800m。该布置方案优点：扬水管段长度短；避开了煤矿区；管线平行道路布 置，施工期可利用该道路进行材料运

9、输，运行期可用于巡查检修，施工及运行管 理方便；沿道路、铁路排洪系统下游布置，可利用道路及铁路的行洪通道进行 管线的排洪系统布置，减少了过洪建筑物的数量并降低了洪水对管线的危害。3.3 管材选择影响长距离管道输水工程投资的主要因素有线路选择布置及管道的管材选择 在线路确定的情况下，管道工程一般将占到工程投资的 50%70%，是工程投资中 最重要的一项。工程为长距离管道供水工程，管线总长68km，所以管材的选择是 管道设计中的一大重点。工程穿越地形复杂，地貌单元多。管材比选主要根据各 管道设计、施工规范及引调水相关规范，通过分析各管材特性并结合本工程的管 道布置特点，对管材的抗内、外压能力，抗腐

10、蚀能力、耐久性、可靠性、经济性 并考虑施工难易程度、运行检修方便等多重因素综合比选管材。3.3.1 管材选择原则输水管道的重要程度，管道直径和长度；管材机械、水力特性；运行 方式，有无调节设施；有足够的强度，可以承受各种工况下的内外荷载；供 货、运输、工期、安装条件等；接口连接可靠，施工方便；水密性好，压力试 验漏水量符合要求；能适应管道沿线地质、地形及气候条件，如地形起伏程度, 土壤的酸碱度过高的腐蚀性，温差变幅较大等；综合造价合理，安全度高，耐 腐蚀，使用年限长，维护修理简便经济。长距离大管径输水管道根据工程经验常 用的有钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、玻璃纤维增强夹砂管及其他复 合

11、管材。1）钢管（SP管）。长距离输水钢管一般采用螺旋焊接钢管，生产施工工艺 成熟，国家规范、标准健全。焊接钢管具有承压能力高、机械强度高，连续性好， 防渗性好，适应性强，出现爆管时，焊接钢管的抢修时间短，工艺简单，成熟， 抢修费用低廉等优点。管道连接时小管径可采用承插连接，大管径用采用焊接， 为柔性刚性连接管道。2）球墨铸铁管（DIP管）。球墨铸铁管是铸铁的一种，具有铁的本质、钢的 性能，防腐性能优异，密封效果好，安装简易，具有很高的性价比。其化学成分 中主要元素有碳、硅、锰、磷、硫和镁，在铁素体和珠光体基体上分布有一定数 量的球状石墨,球墨铸铁管接近钢管的韧性，而又具备较高的强度，因此在实际

12、 使用中能承受足够的内外载荷而自身的变形很小。管道采用承插连接，为柔性承 插连接管道。3）预应力钢筒混凝土管（PCCP管）。预应力钢筒混凝土管是以带钢筒的混 凝土为管芯，管芯主要作用为抗渗，在混凝土管芯外缠绕环向预应力高强钢丝， 在钢丝表面又喷以水泥砂浆保护层而制成的管材，简称PCCP管。PCCP管采用承 插口，采用特制钢制承插口，密封采用密封胶圈，对于大管径高压力管通常采用 双胶圈，以便对接头进行打压检验。为刚性承插连接管道。4）玻璃纤维增强塑料夹砂管（RPMP管）。玻璃纤维增强塑料夹砂管（简称 玻璃钢管），是以玻璃纤维及其制品为增强材料热固性树脂为基体、硅砂为骨料 制成的管材。（以不饱和聚

13、酯树脂等为基体材料，以石英砂及碳酸钙等无机非金 属颗粒材料为填料）按加工工艺分为离心浇筑玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂夹砂 管和玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管，为柔性承插连接管道。3.3.2 管材选取具体管材比选要根据线路布置、各段水力计算及地形条件，管道设计有超过50%管段压力超过1MPa。整体管道承压较高，需要选择承压能力高，另由于工程 区冻土深度达2.7m,工程区沿线为规划开采煤矿，各类施工机械可能在管线穿行, 故应考虑选择具有可承受相应内水压力、及外荷载压力的管材。以上各管材中涂 塑钢管的承内水压能力最强，PCCP管承外压能力最强。根据已建的工程经验，承插接口易在接口处出现漏水情况，究其原因

14、，主要 是在外部土荷载及其他外荷载的作用下，管道接口处出现较大的变形，特别是属 于柔性管道承插接口的球墨铸铁管及玻璃钢管。PCCP管及玻璃钢管一般用于稍低 压力的输水管道，钢管及球墨铸铁管可用于较高压力的输水管道，大于1 MPa高 压力大口径管道选择综合造价较为经济的涂塑钢管，小于1MPa的压力管道段采 用PCCP管。本工程泵站后6km压力超过1MPa，采用涂塑钢管，其后压力均小于 1MPa，采用PCCP管，长度62km。3.4 管道沿程水头损失计算管道的沿程水头损失是管道水力计算的基础。计算管道的沿程水头损失的分 为理论加经验公式的组合计算。长距离管道输水工程水力计算常用的有：达西 公式；谢

15、才公式；海曾-威廉公式。另外还有其他公式如舍维列夫公式、科 尔勃诺克-怀特公式等经验公式。各公式在我国长距离输水管道工程中均有采用， 常用的是谢才公式及海曾-威廉公式。由于各公式计算参数不同，计算的沿程水头损失相差较大，例如在本工程中 计算涂塑钢管单位长度的沿程水头损失时采用谢才公式时计算参数选择的是糙率 参数，在采用海曾-威廉公式计算时用的是海曾-威廉系数，各公式中参数的选择 相关规范及资料均为一定范围，且规范不同，参数取值范围有所区别，计算的单 位长度计算的结果也存在差异。以本工程为例，采用GB50013-2018室外给排水 设计标准中对PCCP供水管道采用两公式计算结果进行比较（见表1）

16、。计算流 量4m3/s，管径2m。表1 谢才/海曾-威廉公式沿程水头损失计算比较表公式谢才公式海曾-威廉公式糙率0.011-0.0125（n）海曾威廉系数120-140（Ch）中值参数计算结果 0.56（m/km）0.578（m/km）根据以上计算可以看出当采用当采用不同公式计算时，在参数取值范围内计 算的沿程水头损失计算结果相差较大，但两公式在参数区间内计算所得的沿程水 头损失基本相同。各参数中值计算的沿程水头损失相差0.018m/km，在本工程中 PCCP管长度62km，两公式计算末端水头差1.1m，在长距离管道输水工程中这个 差别基本不影响工程设计，所以在计算中采用常用的谢才公式计算PC

17、CP管的沿 程水头损失。3.5 管道压力根据规范，工作压力取水力梯度产生的内水压力（即动水压力）与静水头产 生的内水压力（即静水压力）二者的大值，未发生水锤的工况下，取静水压力为 设计工作压力。正常工作时，通过水力控制措施可有效降低水锤压力。一般来说 扬水管道的水锤现象要大于重力自流管道，因此，工程扬水段管道设计压力取“工作压力X1.4”，重力自流管段取“工作压力+0.3MPa”。同时，需采用有效 的水力措施控制水锤压力在设计管道压力范围之内。4 长距离供水管道安全运行控制要点4.1 合理布局稳态运行压力稳态运行是长距离供水管道安全运行的内在要求，要想从源头上实现长距离 供水管道水压的稳态运行

18、，在前期管网建设阶段，就必须优选安全性能高、卫生 高标准的管材，建立标准化的供水管网体系。在后续运行管理阶段，稳态运行状 态是供水管网最普遍的工况，其要求实现管道内部压力的合理布局，严防管道运 行故障发生。在管道压力控制中，除规范使用减压阀、调压井外，还应重视线性 调压阀等设施的有效控制，继而保证管道稳态运行压力布局的合理性，为管道的 安全运行奠定良好基础。4.2 供水管水锤防护供水管道运行过程中，人们将供水中产生的瞬变流压力波称为水锤。从该压 力产生过程来看，其与供水管道元件工作状态的瞬间转变具有较大关系；当管道 元件工作状态发生变化是，除水流流速外，管道内的水压也会随之变化，这对管 道的运

19、行效果造成了较大影响，容易引起管道失稳、损伤等问题的发生。故而在 供水管道安全运行管理中，有必要科学分析长距离供水管运行特征和水锤产生原 因，然后以此为基础，进行空气阀、缓闭阀门、水锤控制阀的综合布局和状态控 制，减小水锤对管道运行效果的影响。4.3 管道加固及防腐一方面，考虑到外界因素对长距离供水管的应用具有较大影响，在供水管加 固层面，先应考虑管道的材质状况和布设环境情况，然后合理地选择加固方式； 目前除设置伸缩器外，建设加固支墩也是管材加固的重要方式，要注意的是，在 管道加固中，还应系统考虑管道防护结构的稳定性，避免防护结构出现较大变形 另一方面，金属管道在长时间的应用中还容易出现腐蚀维

20、问题，对此应规范涂刷 管道防腐涂层；除此之外，供水 企业还可通过阴极防腐保护的方式进行管道保 护，这样能有效提升管道运行效果，避免管道腐蚀、爆管等问题的发生。4.4 实施管道运行事故预警一方面，在现代信息技术应用中，应重视传感器、监测网络的系统布置，随 后应借助这些设备系统化地进行管道运行流量、压力等参数的实时在线监测，实 现管道运行事故预警。另一方面，基于信息技术进行管道运行事故预警时，还应 重视预警信息的深入分析，结合这些信息，科学的设计管道故障检修方案，实现 管道故障的专业化、规范化处理。如在长距离运输管道渗漏水问题监测除中，可 在考虑管道材质、管径的基础上，通过 Enigma 多探头数

21、字相关仪进行探测，以 此来确定渗漏点，为后期的故障检修创造良好条件。结语：随着我国对基础建设设施要求不断提高，长距离输水工程不断增多。管道工 程的合理设计，对工程进度、质量及造价影响均较大。本文以某供水工程为例， 对长距离输水管道设计中几个比较重点关注的问题进行了分析，以期能进一步提 高我国供水工程长距离输水管道的设计水平和质量。参考文献：1 缪晶广长距离输水管线优化设计与研究J.中华建设，2019,(17):128-129.2 王仁坤，张春生水工设计手册：第二版M.北京：中国水利水电出版社,2013.3 谢兆歌，吴成泽长距离输水管线的设计要点，能源与环境，2016,(3) :94-95.4 李强，彭鹏，付冰冰浅析长距离输水管道技术在引白水源工程中的应用J.水利建设与管理，2016, (12) :50-52.5 程万达.赣东地区供水工程长距离输水管道设计要点J.中华市政工程，2018,197 (2) :47-49.