王全鋒 楊璐 馬會(huì)珍 高小濤

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003）

南水北調(diào)中線供水配套工程管道設(shè)計(jì)重難點(diǎn)研究

王全鋒 楊璐 馬會(huì)珍 高小濤

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003）

供水配套工程是指南水北調(diào)中線總干渠沿線分水口門到各受水城市水廠之間的輸水工程，上接總干渠，下連城市水廠，擔(dān)負(fù)著承上啟下的輸水任務(wù)。以河南省受水區(qū)某市供水配套工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為例，從輸水線路布置、輸水管材選擇和水錘防護(hù)措施等方面對(duì)南水北調(diào)中線供水配套工程管道設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

供水配套工程；輸水線路布置；輸水管材選擇；水錘防護(hù)措施

1 工程概況

河南省受水區(qū)供水配套工程主要向南陽、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、濮陽和安陽等11座省轄市區(qū)和所屬的7個(gè)縣級(jí)市、25個(gè)縣城及禹州神垕鎮(zhèn)、鄧州移民安置區(qū)、南陽龍神工業(yè)園區(qū)等48個(gè)供水目標(biāo)區(qū)提供生活和工業(yè)用水。在總干渠主體工程完成的前提下，總干渠分水口至城市自來水廠入口之間的配套工程和城市水廠及管網(wǎng)工程的設(shè)計(jì)施工則至關(guān)重要，直接關(guān)系著整個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，是工程發(fā)揮效益的重要環(huán)節(jié)。

河南省某市供水配套工程年分配水量1.19億m3，管道設(shè)計(jì)流量為6m3/s，輸水方式為重力流輸水，主管道長(zhǎng)度約46.91km，為DN2600 PCCP管道，終點(diǎn)為該市規(guī)劃水廠；有1條引黃調(diào)節(jié)池支線，管道長(zhǎng)度8.23km，為DN2400 PCCP管道。

2 設(shè)計(jì)重難點(diǎn)

2.1 輸水線路布置的原則

①符合城市總體規(guī)劃和供水規(guī)劃，滿足近期開發(fā)需要且符合遠(yuǎn)期規(guī)劃，結(jié)合城鎮(zhèn)化發(fā)展的速度、減少拆遷和節(jié)省投資等綜合考慮；盡量沿現(xiàn)狀及規(guī)劃道路鋪設(shè)，減少與當(dāng)前建筑物、管線和電纜等地交叉，減少對(duì)農(nóng)田和植被的破壞，防止水土流失。

②要充分利用地形優(yōu)勢(shì)，優(yōu)先考慮重力流輸水，或部分重力流輸水；要根據(jù)輸水方案、地形條件、管道根數(shù)，對(duì)不同的工況進(jìn)行技術(shù)分析比較，選擇安全可靠的輸水方式。

③盡量平直，減少急轉(zhuǎn)彎，以減少水力損失；根據(jù)管道允許調(diào)整角度要求布置，減少鎮(zhèn)墩數(shù)量；控制工程規(guī)模，降低工程造價(jià)。

④穿越段盡量采取垂直穿越；穿越河流時(shí)，管道埋深必須考慮河流的洪水沖刷線；穿越大型道路時(shí)，在不影響現(xiàn)有道路正常運(yùn)行的前提下，盡量采用頂管或箱涵穿越。

⑤管道埋深需結(jié)合當(dāng)?shù)貎鐾辽疃?、敷設(shè)位置和荷載等綜合確定。針對(duì)本工程，在耕地內(nèi)敷設(shè)的管線，管頂覆土不小于1.5m，在城區(qū)及荷載較大段，管頂覆土不小于2.0 m。

⑥與交叉建筑物之間的凈距應(yīng)滿足《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》（GB50289-2016）［1］的要求，局部管段不滿足規(guī)范要求時(shí)，應(yīng)采用安全的施工工藝措施。

2.2 輸水管材選擇

管材的選擇一般要考慮工程的規(guī)模及重要性、管道的工作壓力、輸水距離的長(zhǎng)短、工程的進(jìn)度及工程所在地的地形、地貌、地質(zhì)情況，當(dāng)?shù)毓懿牡纳a(chǎn)狀況，應(yīng)用管材的習(xí)慣，能源價(jià)格，進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等方面的綜合比較后確定。目前，供水管材有多種，對(duì)于大管徑的管材，大都在鋼管（SP）、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼夾砂管（GRP）和球墨鑄鐵管（DIP）中選擇，各種管材都有其優(yōu)缺點(diǎn)。

2.2.1 鋼管（SP）。鋼管的優(yōu)點(diǎn)是：管材強(qiáng)度較高，承受壓力大，對(duì)地形的適應(yīng)性強(qiáng)，糙率低，糙率系數(shù)n= 0.01～0.011；水頭損失較小，單位管長(zhǎng)重量較輕，鋼管的密封性好，對(duì)地基不均勻沉降適應(yīng)能力強(qiáng)，適用于地形復(fù)雜地段。

鋼管的缺點(diǎn)是：剛度小，大口徑管極易變形；抗腐蝕性差，易生銹，水質(zhì)容易受到污染；給水管道需增加內(nèi)、外防腐；防腐層易老化，耐久性差；現(xiàn)場(chǎng)施工安裝時(shí)對(duì)口焊接工作量大，焊接后的補(bǔ)口質(zhì)量較難保證；管道重量輕，抗震動(dòng)性能差，易拉裂，管徑加大，性價(jià)比降低。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCP）。PCP管的優(yōu)點(diǎn)是：加工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低，具有良好的抗?jié)B性和耐久性，施工速度快，安裝方便，管內(nèi)壁光滑，不結(jié)垢，水力條件好，輸水能力強(qiáng)，耐腐蝕，不需做內(nèi)外防腐處理。

PCP管的缺點(diǎn)是：材質(zhì)重且脆，運(yùn)輸不方便，承插接口的加工精度難以保證，接頭復(fù)雜，維修不便，有些管道管體中存在空鼓或裂縫，容易引起滲漏；PCP管管徑和工作壓力使用范圍小，其管徑一般在DN2000以下，工作壓力范圍在0.4～1.0MPa，與其他管材相比糙率大。

2.2.3 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）。PCCP管的優(yōu)點(diǎn)是：PCCP是一種鋼筒、鋼絲與混凝土構(gòu)成的復(fù)合管材，集中了鋼管和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管的優(yōu)點(diǎn)，具有管徑使用范圍大、承受工壓高、高抗?jié)B的性能（管徑為DN400～DN4000，工作壓力為0.4～2.0MPa，最高內(nèi)壓可達(dá)2.5MPa）。管壁厚，剛度大，抗震能力強(qiáng)，混凝土結(jié)構(gòu)，耐腐蝕性能好；管子接口加工精度高，采用雙橡膠圈，密封性能好，承插式安裝，方便快捷，維修費(fèi)用低；在每根管插口的密封圈之間留有打壓孔，接頭打壓檢驗(yàn)簡(jiǎn)單方便，可以邊安裝邊打壓，管道重量大，抗震動(dòng)性能好。

PCCP的缺點(diǎn)是：對(duì)鋼絲質(zhì)量要求高，保護(hù)層比較薄（25mm），管道重運(yùn)輸不方便。

2.2.4 玻璃鋼夾砂管（GRP）。GRP管的優(yōu)點(diǎn)是：強(qiáng)度高，密封性好，摩阻系數(shù)小，重量輕，比重僅為鋼、鑄鐵管的1/4～1/5，混凝土的2/3；施工運(yùn)輸方便，易于安裝；單根管道長(zhǎng)度長(zhǎng)，管道接頭少，設(shè)計(jì)靈活，產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)；耐腐性能好，使用壽命長(zhǎng)，無毒害、無二次污染，無電腐蝕之慮，可直接埋設(shè)于酸性或堿性土壤中，無需保護(hù)，玻璃鋼管的連接也采用承插式，并設(shè)置膠圈止水，安裝方便。

GRP管的缺點(diǎn)是：由于管內(nèi)采用夾砂，管道質(zhì)地脆性增加，抗外壓能力較差，導(dǎo)致管道受外壓后接頭滲漏；對(duì)管道基礎(chǔ)處理和回填土要求較高，增加施工難度，且管徑一般不超過DN2000。

2.2.5 球墨鑄鐵管（DIP）。球墨鑄鐵管的優(yōu)點(diǎn)：綜合了鋼管柔性和鑄鐵管耐腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)度和延伸率比鋼管均有提高，使用壽命更長(zhǎng)；管道抗?jié)B性更好，采用承插安裝，橡膠圈密封，施工方便，降低工程安裝費(fèi)用的同時(shí)，也提高了對(duì)不良地基的適宜性。

球墨鑄鐵管的缺點(diǎn)是：管道重量輕，抗震動(dòng)性能差，內(nèi)襯水泥砂漿層易裂縫空鼓，單位長(zhǎng)度造價(jià)比高，尤其是當(dāng)管徑大于DN1200時(shí)，性價(jià)比開始降低；管徑增大，制造難度加大，管材價(jià)格增加明顯。

考慮到本工程為長(zhǎng)距離大管徑供水，故選取PCCP管、鋼管和球墨鑄鐵管進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，詳見表1。

輸水管材選擇原則為：在保證供水安全的前提下，采用投資成本低、漏損率低、安全性能好、維修方便的管材。本工程為供水壓力1.0MPa的重力流輸水，輸水線路周邊地質(zhì)條件較好，不存在堅(jiān)硬和散落巖石。綜合考慮，本工程輸水管材推薦采用PCCP管，在穿河、過路等特殊地段采用鋼管。

2.3 水錘防護(hù)措施

合理計(jì)算水錘值，對(duì)保證工程安全與正常運(yùn)行、優(yōu)化管道設(shè)計(jì)、節(jié)省工程投資等都有重要意義。根據(jù)水錘防護(hù)措施選取原則，即技術(shù)上安全可靠、經(jīng)濟(jì)上合理、管理上方便，結(jié)合分水口門輸水系統(tǒng)運(yùn)行工況復(fù)雜的實(shí)際情況，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值解法對(duì)水錘進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，本工程主要采取以下水錘防護(hù)措施。

2.3.1 合理布置輸水線路。輸水線路的確定對(duì)整個(gè)工程建設(shè)的影響至關(guān)重要，在選擇線路時(shí)，要充分考慮地質(zhì)地形條件、施工條件、工程投資、工程運(yùn)行管理等，并根據(jù)情況的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)一步優(yōu)化線路。

2.3.2 合理選擇閥門形式。為了滿足管線系統(tǒng)在啟動(dòng)、檢修和正常運(yùn)行過程中的進(jìn)排氣要求，按照《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 193:2005）要求，按間距0.8～1.0km設(shè)置具有高速進(jìn)氣和排氣的復(fù)合式進(jìn)排氣閥，在特殊位置適當(dāng)加密［2］。對(duì)于管線末端接入出水池或水廠恒定流和壓力水頭的要求，通過設(shè)置活塞式調(diào)流調(diào)壓閥來滿足。

表1 不同管材技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

2.3.3 延長(zhǎng)閥門啟閉時(shí)間。各支線單獨(dú)關(guān)閥結(jié)論：為滿足各管段的壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，在干線分水口門調(diào)節(jié)水池為最高水位，所有支線水廠正常運(yùn)行工況下，當(dāng)支線需要停水時(shí)，其他支線閥門可以較快速關(guān)閉，規(guī)劃水廠單獨(dú)關(guān)閉閥門時(shí)，水廠閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)大于390s；引黃調(diào)節(jié)池支線單獨(dú)關(guān)閉閥門時(shí)，水廠閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)大于310s。

各支線同時(shí)關(guān)閥結(jié)論：對(duì)于同時(shí)關(guān)閥工況，為滿足各管段的壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)劃水廠支線運(yùn)行工況，水廠閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)不小于699s。引黃調(diào)節(jié)池支線運(yùn)行工況，規(guī)劃水廠閥門關(guān)閉時(shí)間應(yīng)不小于633s。

2.3.4 設(shè)置單向調(diào)壓塔。針對(duì)爆管工況，對(duì)整個(gè)輸水系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，目標(biāo)是各支線在爆管時(shí)要盡量保證主管道的安全以及其他支線正常運(yùn)行。經(jīng)水錘計(jì)算分析后，在引黃調(diào)節(jié)池支線分叉口后增加1座單向調(diào)壓塔，截面直徑為5.5m，頂部高程為64.2m；當(dāng)規(guī)劃水廠支線或引黃調(diào)節(jié)池支線發(fā)生爆管事故時(shí)，建議支線首部閥門以斜率1/900s一段直線規(guī)律關(guān)閉。

3 結(jié)論

①本工程已于2014年通水調(diào)試成功，到目前為止，輸水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為該市提供了水質(zhì)更優(yōu)的丹江口水庫水，使其成為河南省南水北調(diào)中線供水配套工程的直接受益者。

②本工程屬于典型的長(zhǎng)距離輸水工程，具有管線長(zhǎng)、流量大、管徑大和揚(yáng)程小等特點(diǎn)，整個(gè)輸水系統(tǒng)運(yùn)行復(fù)雜，通過工程實(shí)踐驗(yàn)證，水錘防護(hù)措施是安全有效的，可以作為典型工程進(jìn)行分析交流。

③南水北調(diào)中線配套供水工程涉及范圍較廣，運(yùn)行調(diào)度管理非常復(fù)雜；分配水量為遠(yuǎn)期規(guī)模，近期接納能力有限，加之調(diào)蓄、應(yīng)急設(shè)施不足，使部分管道沒有在設(shè)計(jì)正常工況運(yùn)行。因此，需要在后續(xù)配套工程實(shí)施方案中明確各城市應(yīng)急調(diào)蓄供水設(shè)施規(guī)模，應(yīng)急時(shí)各類用水的優(yōu)先次序及統(tǒng)一調(diào)度計(jì)劃，從而為各受水地區(qū)供水配套工程的實(shí)施提供技術(shù)支持。

［1］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50289-2016，城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

［2］中國(guó)市政工程?hào)|北設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)安大學(xué).CECS193-2005，城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

Research on the Difficulties in Pipeline Design of Water Supply Project in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

Wang QuanfengYang LuMa HuizhenGao Xiaotao
（Yellow River Survey Planning and Design Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

The water supply supporting project is the water diversion project between the main channel of the middle route of the middle route of the South-to-North Water Diversion Project and the water supply plant in each water re?ceiving city.On the main canal,the city water plant is under the water supply task.In Henan province by the water?front city water supply supporting engineering design and operation experience as an example,from the aspects of wa?ter conveyance line layout,pipe material selection and water hammer protection measures of South-to-North water supply pipeline supporting engineering design are discussed

water supply matching project；layout of water delivery line；selection of water delivery pipe；water ham?mer protection measures

TV68

A

1003-5168（2017）08-0104-03

2017-07-01

王全鋒（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：供水、排水、海綿城市建設(shè)方向的工程設(shè)計(jì)和科研工作。