基于长距离管道重力流输水工程设计研究

宋 岩

(海城市河务管理处，辽宁 海城 114200)



基于长距离管道重力流输水工程设计研究

宋 岩

(海城市河务管理处，辽宁 海城 114200)

海城某水库至某镇管道重力流输水工程设计，全程采用重力流输水一管到底方式，输水站起于水库大坝输水洞处，末站位后某镇泵站处，工程管道采用螺旋缝埋弧焊钢管，外层采用环氧粉末聚乙烯复合结构(3层PE)外防腐层，钢管采用国标标准。文章介绍了对于水库长距离输水的应用，同时结合长距离管道工程输水实例对输水管道设计中的几个相关设计要点进行了分析。

长距离管道；重力流输水；高差；设计

1 工程概况

海城某水库至某镇管道重力流输水工程设计，线路总长20.31km，全程采用重力流输水一管到底方式，输水站起于水库大坝输水洞处，末站位后某镇泵站处，工程设计输水量为2×104m3/d，管道压力为1 MPa，采用D720×7mm螺旋缝埋弧焊钢管，外层采用环氧粉末聚乙烯复合结构(3层PE)外防腐层，钢管采用国标标准。

某水库兴利库容960 万 m3，库区溢洪道起点高程96.82m，输水洞进口高程80m，管道起始点高程80.7m，管线延程最低点34.4m，中途沿线高点64.8m，末端高程44.6m。管道穿越河流4处，柏油路面10处，砖墙2处，光缆1处。

2 工程方案选择

2.1 引水方式选择

该工程地形为管道起始点高程80.7m，管线延程最低点34.4m，中途沿线高点64.8m，末端高程44.6m，该地形采用明渠引流无法实现，固工程采用管道输水的方式。

2.2 线路选择

1)管道线路走向以顺直、平缓为原则，节省线路投资。

2)选线设计中始终将管道安全放在首位，尽量避开地质灾害严重地段及活动性断裂带地段，避开地面沉陷区等。

3)管道避开城市水源地、工厂、车站、码头、及城市、乡镇人口密集场所。

4)管道路由必须和当地的城市、乡镇规划相结合，与现有交通设施、通信、电力设施保持适当距离，并考虑已有的发展规划。尽量做到管道建设和沿线各镇的发展相适应，保持和谐[1]。

5)选线充分考虑管道施工的可行性，及今后的运营维护方便，尽量靠近现有的道路。

6)河流穿跨越位置选择应服从线路总体走向，线路局部走向根据施工穿越条件进行必要调整后确定。

按选线原则，经现场探勘测量，最终选定路线，线路总长20.31km。

3 工程设计方案

3.1 管道设计

材料：螺旋缝埋弧焊钢管3层PE防腐 D720×7mm；

长度：管线长度20.31km，采用螺旋缝埋弧焊钢管3层PE防腐19.3km、聚氨酯硬脂泡沫外附聚乙烯板管1.022 km；单管长度12m。

设计压力：1 MPa。

3.2 管道损失计算

给水管道设计计算依据《室外给水设计规范》和《给排水设计手册》计算如下：

1)管(渠)道总水头损失，可按下列公式计算：

hz=hy+hj

(1)

式中：hz为管(渠)道总水头损失，m；hy为管(渠)道沿程水头损失，m；hj为管(渠)道局部水头损失，m。

2)金属管道水力坡降计算：

(2)

式中：i为管道单位长度的水头损失(水力坡降)；C为流速系数；R为水力半径，m。

(3)

3)管道的局部水头损失宜按下式计算:

(4)

式中：ζ为管(渠)道局部水头损失系数。

3.3 典型最不利地段计算

本次输水工程最不利地段在某果园，为输水尾段的最高点，同时考虑水利最不利水位及常水位进行分析计算。

1)水库输水桩号起点0+000m-果园管道桩号16+817m处，管线呈凹行铺设。起点输水房底板高程80.7m，库区溢洪道起点水位高程96.82m，输水洞进口高程80m，果园管线处高程64.8m。

A水库最高水位水力计算：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水头损失：hd=i×L=11.0562m；

局部水头损失：hj=hd×m=11.0562×0.15=1.6584m；

总水头损失：H=hd+hj=12.7146m；

其中，dj为计算内径。

果园16+817m处富余水头：96.82-64.8-12.7146=19.31m。

B水库最不利计算(输水洞顶点高程)：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水头损失：hd=i×L=11.0562m；

局部水头损失：hj=hd×m=11.0562×0.15=1.6584m；

总水头损失：H=hd+hj=12.7146m；

其中，dj为计算内径。

16+817m处富余水头：80-64.8-12.7146=2.49m；

2)果园管道16+817m-泵房20+310m，果园16+817m处高程64.8m，末端泵房20+310m处高程44.6m。

A水库最高输水位计算：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水头损失：hd=i×L=2.2964m；

局部水头损失：hj=hd×m=0.3445m；

总水头损失：H=hd+hj=2.6409m；

泵房处富余水头：19.31+64.8-44.6-2.6409=36.86m(不计虹吸作用)。

B水库最不利水位计算(输水洞顶点高程)：

水力坡度：i=0.0007；

平均流速：v=Q/(0.25π×dj2)=0.5914m/s；

沿程水头损失：hd=i×L=2.2964m；

局部水头损失：hj=hd×m=0.3445m；

总水头损失：H=hd+hj=2.6409m；

泵房处富余水头：2.49+64.8-44.6-2.6409=20.04m(不计虹吸作用)。

由以上计算可以看出管道为重力流管道，自然压差满足管道流量要求。

3.4 管道埋深设计

管道埋设深度一般应在冰冻下，本地区最大冻层1.2m。故选择管道埋深为1.2 m(以管顶计算)。

3.5 管道穿越交叉建筑物设计

1)河流穿越设计。管道穿过河道时，可采用河底穿越方式，利用枯水期实行大开挖形式铺设，采用围堰的方法开挖管沟，当开挖地段为砂石、砂卵石、砂土、黏土时，可采用明沟排水等方法；若为淤泥、流砂、粉砂和细砂，可采用井点降水等方法[2]。严格遵循《防洪标准》的有关要求进行沟埋敷设。小型河流、沟渠穿越管道管顶埋深距河床设计冲刷线≥0.5m，无冲刷河流管道管顶埋深≥2m；若河床为基岩时，小型河流穿越管道管顶埋深距基岩面≥1.5m。本次管道穿越河流4处，五道河历史最大冲刷深≤3m，管道埋深选定>5m。

2)道路穿越设计。本次穿越柏油公路10处，采用开挖法穿越公路，设置路障、栅栏、警示标志，并设专人指挥交通维护安全。穿越处管道加套管，套管为内径0.8m钢筋混凝土管，承受外压60t。

3)光缆穿越设计。光缆穿越处应与所属部门制定详细的穿越方案。管道穿越线缆时，其净距≥0.5m，并应固定可靠。

3.6 管道附属设施设计

3.6.1 管道阀门

1)排气阀：输水管(渠)道隆起点上应设通气设施，设1处通气设施，自动排气阀(DN25)，共计4处。自动排气阀设置在排气砖砌圆形井(收口式) 内(内径 1.4m 井深 2.5m)。

2)排泥丁字管：根据工程需设置检修水阀井和排泥丁管(D250mm)，排泥管在圆形排泥湿井内(内径1m 井深3.5m)。

3.6.2 管道流量控制阀门、流量仪器设置

管道输水口设置控制阀门、电子水表，终点设置控制阀门。

3.6.3 管道标志带

考虑本管道为重要的输水管道，为防止第三方无意挖掘破坏，设计在管顶上方敷设“管道标志带”，每处水平转角(线路控制桩)设转角桩标志带1个；从首站开始，地下构筑物交叉处，穿越河流、公路的两侧，均设标志带。

3.6.4 管道保温设

输水起始点0+000-1+022输水渠道阀门处，管道露天铺设需加以防冻措施，本次1022m管道防冻措施采用聚氨酯硬脂泡沫外附聚乙烯板方式。

3.6.5 镇墩

管道转弯处以及穿越河道段应进行稳定设计，本次管线转折变化处，穿越河道处，均设置镇墩稳管。

3.6.6 附属设施统计

标志桩：标志桩内含里程标志，起方便维修、警示作用，分别设置点号为G1、G7、G8、G9、G10、G11、G17、G18、G25、G26、G27、G31、G39、G43、G53、G56、G57、G59、G67共计19个。

自动排气阀设置：3处排气阀分别设置在G25、G40、G54处。

圆型排泥湿井：3处排泥湿井分别设置在G20-G22 间低洼处、G30-G31间低洼处，G37管线处。

镇墩：14处镇墩分别设置在G7、G9、G11、G17、G18、G27、G28、G29、G31、G36、G38、G53、G57、G67处。

4 输水管道安装与管道试压

4.1 输水管道安装施工工艺流程

输水管道安装施工工艺应按照下面步骤实施：①熟悉图纸和有关技术资料；②施工测量放线；③沟槽开挖及管沟砌筑；④管件加工制作；⑤支架制作及安装；⑥管道预制及组装；⑦管道敷设及安装；⑧管道与设备连接；⑨裸漏钢管保温；⑩调试和试压运转 ；交工验收。

4.2 管道试压

试验装置：试压装置主要包括管道进水管、进水阀、加压泵、压力表、放水阀、排气阀和堵板等[3]。

管道水压试验的分段长度≤1.0 km。钢管道试压前，应排除遗留在管道中的铁渣、焊渣、泥渣堵板可直接与钢管焊接，也可采作法兰连接；承插管试压时，可用尾端焊有钢制试压堵板的钢制承口、插口与承插管连接，再用方木或型钢作支撑通过后背墙顶住堵板，也可用千斤顶支顶。

5 结 论

长距离管道重力流输水受地形因素较大，选线设计中应将管道安全放在首位，尽量避开地质灾害严重地段及活动性断裂带地段，避开地面沉陷区，尤其穿越河流、道路及光缆线处等应加以防护措施，避免其他因素来影响管线输水安全，在计算过程中应注意地形最不利点位的计算、管材静水压力的分析，做好线路附属设施的设计。

[1]李书兵,姚智文.长距离大落差重力流输水管道改造工程方案探讨[J].给水排水，2014(05)：66-69.

[2]杨庆华,翟龙,罗欢.长距离高落差有压重力流输水特性研究[J].给水排水，2015(12)：21-28.

[3]罗春林,杨玉芳,王爱军,等.有压重力流长距离输水管道设计体会[J].给水排水,2012, 38(08)：36-38.

Design and Research of Water Delivery by Gravity Flow Project in Long Distance Pipe

SONG Yan

(Haicheng Municipal River Management Office, Haicheng 114200, China)

Full use of gravity flow in a pipe to the end is adopted in the design of a reservoir in Haicheng city to a water delivery project by gravity flow, the water delivery station starts from water delivery tunnel of the reservoir and the end station is located in the pumping station in a town. The spiral submerged arc welded steel pipes are used in the pipe, epoxy powder polyethylene composite structure (there are three layers of PE) is used in the out coating, and the steel pipe is made strictly according to the international standard. This paper introduces the application of long distance water delivery in the reservoir and analyzes several relevant design points appeared in the design of the water delivery pipe, and its aim is to provide references for similar engineering construction.

pipe of long distance; water delivery by gravity flow; height difference; design

1007-7596(2016)10-0011-03

2016-10-16

宋岩(1978-)，女，辽宁海城人，工程师，研究方向为河道、防汛、水利工程施工、水资源管理等。

S277.7

B