黃紹鋒

【摘 要】隨著水利部全面解決農(nóng)村飲水安全問題目標(biāo)的提出以及各地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，工業(yè)建設(shè)速度迅速加快，人民生活水平也隨之相應(yīng)提高，城市工業(yè)和生活用水量急劇增加，城市用水的緊張狀況日益嚴(yán)重。故不少城市、工礦企業(yè)及農(nóng)村飲水不得不到數(shù)十公里甚至數(shù)百公里以外尋找能滿足水量、水質(zhì)要求的新水源，因而長距離輸水工程也逐漸增多。在長距離輸水管道設(shè)計時存在諸多要解決的問題，下面就此闡述幾點看法。

【關(guān)鍵詞】長距離；輸水管道；設(shè)計

一、管材選擇

長距離輸水管道首先要考慮投資的收益率，受復(fù)雜地形的限制并且需要滿足各種運(yùn)行工況。這就要求選擇的管材有較高的可靠性和較好的經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)國內(nèi)外很多工程的了解對比，最近一段時期長距離輸水管道工程采用較多的管道有鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、球墨鑄鐵管、夾砂玻璃鋼管等非金屬管材。

1、鋼管

糙率一般為0.011-0.014。優(yōu)點：管道銜接型式較多可采用承插、法蘭、焊接；可在復(fù)雜地形、高內(nèi)壓及不同管材連接處使用；抗內(nèi)外壓能力較強(qiáng)；有較可靠的供水能力。缺點：需要進(jìn)行防腐處理；使用年限較短一般為25年；并且價格較高。

2、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCCP）

管道單節(jié)長度一般為5-6m，糙率一般為0.0115-0.0125。優(yōu)點：管道接頭密封采用承插口，雙膠圈，抗?jié)B好；一般不需要防腐；抗內(nèi)外壓較好；使用年限較長大于50年；有較可靠的供水能力。缺點：管道接頭密封處容易脫落；管件與接口處容易生銹；多在管徑大于1.2m時使用，口徑小于DN1200mm時價格相對較高。

3、球墨鑄鐵管（DIP）

管道單節(jié)長度一般為6-8.15m，糙率一般為0.011。優(yōu)點：管道采用柔性接口抗沉陷能力較強(qiáng)；接頭密封采用承插口，單膠圈，抗?jié)B好；抗內(nèi)外壓較好；防腐比較簡單；使用年限一般為30-40年；有較可靠的供水能力。缺點：多在管徑小于1.2m時使用，口徑大于DN1200mm時價格相對較高。

4、夾砂玻璃鋼管（FRPM）

管道單節(jié)長度一般為6-12m，糙率一般為0.009。優(yōu)點：管道密封分柔性、剛性接頭，抗?jié)B性較好；糙率系數(shù)較??；防腐能力較強(qiáng)；比較環(huán)保滿足各種水質(zhì)要求；使用年限較長一般為50年；管徑較小且壓力不大時，有價格優(yōu)勢。缺點：抗內(nèi)外壓能力都一般；對管道基礎(chǔ)及兩側(cè)回填土要求都比較高；管材比較脆弱。

二、水力計算

管徑的選擇可以通過Q=AV來初選管徑，然后根據(jù)水力計算優(yōu)化管徑。在水力計算時，一般是按照均勻流計算，普遍采用的公式有：

（1）Darcy公式：hf= λlv22gd

（2）Chezy公式：V= CRJ

（3）Hazen-Williams公式： hf=10.67Q1.852l C1.852hd4.87

式中：hf――沿程水頭損失（m）；λ――沿程阻力系數(shù)；l――管道長度；d――管道計算內(nèi)徑（m）；g――重力加速度（m/s2）；C――謝才系數(shù)（m1/2/s）；J――水力坡降；R――水力半徑；Q――管道流量（m3/s）；V――流速（m/s）；Ch――海曾？威廉系數(shù)。

上述三式中（1）、（2）式不僅適用于管道流，同時也適用于明渠的水力計算。（3）式的計算參數(shù)較少，是一個廣泛應(yīng)用于管網(wǎng)計算的傳統(tǒng)公式。上述三式與管道內(nèi)壁粗糙程度相關(guān)的系數(shù)軍事影響計算結(jié)果的重要參數(shù)。

筆者根據(jù)近幾年長距離輸水管道的設(shè)計計算，（1）、（3）是應(yīng)用較多，通過與實際過流能力及水損實測情況比較，（1）式在采用Colebrook-White公式計算出的λ值與商用圓管的阻力吻合最好。

三、長距離輸水管道管徑的選擇

1、長距離輸水管道投資占輸水工程的絕大比重，管徑增大，管道一次性投資增大，管路阻力減小，可降低電耗量與年運(yùn)行費(fèi)用，相反管徑減小，可降低管道一次性投資，但管路阻力增大，年耗電量及年運(yùn)行費(fèi)增加。因此如何確定一個合理的管徑，是長距離輸水管道設(shè)計中的一項十分重要的工作。

2、確定經(jīng)濟(jì)管徑的方法可采用費(fèi)用現(xiàn)值最小法。假設(shè)不同的管徑，計算出管道的一次性投資，然后根據(jù)供水流量、管長、管徑、管材計算凈揚(yáng)程，再由凈揚(yáng)程、流量等計算裝機(jī)容量，從而計算年運(yùn)行費(fèi)，按費(fèi)率和年限折現(xiàn)，求出費(fèi)用現(xiàn)值，其中最小費(fèi)用現(xiàn)值對應(yīng)的管徑即為經(jīng)濟(jì)管徑。

3、現(xiàn)以下列實例計算如下：供水流量500m3/h，全年供水，單根管道，輸水距離分別為5Km、10Km及15Km，進(jìn)出口水頭差及出口壓力值共計0.15MPa，管材為球墨鑄鐵管，糙率系數(shù)n=0.013，折現(xiàn)率i=6%，折現(xiàn)年限N=30a，折現(xiàn)系數(shù)13.76。

4、管徑為經(jīng)濟(jì)管徑。通過上表的計算分析，不僅可選擇其經(jīng)濟(jì)管徑，并隨輸水距離增長和管徑減少，費(fèi)用現(xiàn)值增長較快。因此長距離輸水管道宜根據(jù)工作壓力選擇較大管徑，減少管路阻力，降低年運(yùn)行費(fèi)，使費(fèi)用現(xiàn)值最小。

四、管線縱橫斷面設(shè)計

1、管線布置

管線布置原則：

①線路盡量選擇直線減少轉(zhuǎn)彎，盡可能的縮短管道長度，盡量少穿河道及道路等障礙物，以便節(jié)省投資方便施工。若實在避不開必須保證管道上有足夠的覆蓋層。

②盡量減少管道的高低起伏，可減少排氣閥的設(shè)置，保證管道更穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

③盡量避開不良地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，盡量沿道路布置，可利用原有道路，更快更好的施工。

④盡量避開城區(qū)及人口密集區(qū)，減少拆遷及少占農(nóng)田，避開自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

⑤當(dāng)管線穿越鐵路及公路時其設(shè)計必須符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)所屬部門審批后在保證交叉建筑物安全的前提下方可施工。

2、溝槽開挖及管道埋深

管道的開挖最小寬度必須滿足管道的鋪設(shè)安裝要求，線路盡量選擇挖方斷面，少采用填方斷面，在參考國內(nèi)外很多工程中發(fā)現(xiàn)管道在填方斷面段容易出現(xiàn)不均勻沉陷等問題，情節(jié)較輕時，管道會出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，情節(jié)嚴(yán)重時，會造成管道斷裂，影響工程正常供水。

管道的埋設(shè)深度，應(yīng)根據(jù)冰凍情況、外部荷載、管材強(qiáng)度及與其他管道交叉等因素確定。管道的埋深一般不小于1.5m。為保證供水管線穩(wěn)定可靠的正常運(yùn)行，將引水管線埋置于冰凍線以下，確定管線的管頂覆土厚度為：在穿越一般道路、村莊、臺地、苗圃、耕地時不小于1.5m，其余管段管頂覆土深度根據(jù)設(shè)計要求確定。

3、地基處理與管道敷設(shè)

溝槽開挖后，根據(jù)不同的地質(zhì)情況，可分別采用夯實、換填、砂樁、攪拌樁等處理方式進(jìn)行不良地基處理。管道在遇見濕陷性黃土地基段時宜采用換基處理，換填基礎(chǔ)采用3：7灰土較多，壓實度要求不小于95%。

管道敷設(shè)安裝完畢后，首先用回填材料將管道兩側(cè)拱腋下均勻回填，然后管子兩側(cè)同時進(jìn)行對稱分層夯實，根據(jù)所用管材的性質(zhì)，回填至可打壓埋深，同時支墩強(qiáng)度要求滿足設(shè)計規(guī)定或《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50268-2008相關(guān)規(guī)定。然后進(jìn)行打壓試驗，試驗滿足規(guī)范要求時，才能回填至地面高程。

結(jié)束語

在長距離輸水管道設(shè)計中，管道投資占輸水工程的絕大比重，正確選擇管道路由、合適的管材，對長距離調(diào)水工程設(shè)計的經(jīng)濟(jì)合理性具有至關(guān)重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]《給水鋼絲網(wǎng)骨架塑料（聚乙烯）復(fù)合管管道工程技術(shù)規(guī)程》CECS181-2005

[2]《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》GB50268-2008