长距离重力流输水管道设计问题分析

长距离重力流输水管道设计问题分析

邢雅珺

云南省水利水电勘测设计院  云南 昆明 650021

摘要：随着近年来我国城市化进程的不断加快，长距离重力流输水管道已经成为城市供水的重要组成部分之一。随着长距离输水工程数量的增加，输水管道的设计、施工与使用也越来越受重视。本文主要围绕长距离重力流输水管道的相关设计问题进行了讨论，期望能够推动我国长距离输水工程设计水平的提升，为广大设计人员提供参考与借鉴。

关键词：长距离；重力流；输水管道；设计；问题

在长距离输水工程水量不断增加的今天，重力流输水工程已经成为其中重要的组成部分之一。重力流输水管道有着节能、节点、成本低、运维简便等诸多优势。重力流输水管道在应用的过程中对于高程有着一定的要求，要求地形高差必须能够满足相应的水头损失需要，并配置自由水头于管道末端，且地形坡降＞输水水力坡降。长距离重力流输水管道在设计的过程中还存在着诸多问题需要重视，例如输水道路路线的设计、管道管材与管径的选择、水锤的防护等。基于此，本文围绕长距离重力流输水管道的相关设计问题进行了讨论，具体内容如下。

1、工程概述

甲工程管线总长30000m。工程的末端土壤具有腐蚀性，施工难度相对较大。工程的首端地势平坦，便于施工。该工程的设计流量为3.00m3/s，上下浮动0.20m3/s。该工程为重力流输水管道，高程差为162m。

甲工程在设计时，存在着落差集中于末端、管道出口处富余水头大的问题。为了解决上述问题，设计人员在设计时选择了分段分压的方式进行处理。该工程在建设时，分别选用了用DN1400球墨铸铁管道以及DN1600预应力钢筋混凝土管。

2、长距离重力流输水管道的布线原则

管线的布置与走向将直接决定整个工程的投资金额与施工难度。因此，在布置管线时，要提前做好管道沿线的调查工作，重点对地质、地貌、河流、公路、地下管道（输气管道、输油管道）进行调查。拟定多种方案，通过比选选择可行性与经济性最好的方案。在长距离重力流输水管道布线时，应该遵循以下原则：（1）布线时要尽可能避开大起伏、急转弯现象，选择直线缩短管线的长度，使供水系统的布局尽可能合理。（2）布线时应该结合现有道路、未来规划道路进行考量，在此基础上进行铺设。尽可能减少对耕地的占用，并避开沿途村庄，以达到缩减拆迁工程量的效果。（3）尽可能减少土方石开挖量，选择地形起伏较小的线路方案进行施工。（4）提前做好不良地质构造的考察工作，避开滑坡区域、地质断层区域，以保护管道的安全。（5）在设计时尽可能避免穿越河流、公路、铁路等障碍物，降低工程施工的难度与成本。

3、长距离重力流输水管道的管材选择

据相关文献报道，管材费用占据了长距离重力流输水工程总成本的60%以上。对长距离重力流输水工程而言，管材选择的重要性主要体现在两方面，一是其关系到了供水的稳定性、安全性，二是其关系到了工程的经济性、合理性。

因此，在选择长距离重力流输水管道管材时，应该遵循以下原则：（1）管材应具备一定的强度，对内外荷载有一定的承受力。（2）管材应该具备较好的水密性。（3）管材的内壁应保持光滑，减少水头的损坏。（4）管材的施工应该具备一定的便捷性。（5）管材的成本应该具备一定的经济性。（5）管材的质量应该具有一定的可靠性，能够抵御水与土壤的侵蚀。

常见的管材包含钢管、球墨铸铁管、夹砂玻璃钢管、预应力钢筒混凝土管、PE管几种类型。钢管有着耐压等级与强度高、安装便捷、地基适应性强的优点；但其成本相对较高、需要进行防腐处理。球墨铸铁管有着耐压等级、强度、安全性高，耐腐蚀强的优点；但其价格适中，自重相对较大。夹砂玻璃钢管有着抗腐蚀性与强度高，内壁光滑、糙率小的优点；但其刚度相对较低，成本相对较高，对于基础与安装有着较高的要求。预应力钢筒混凝土管有着抗腐蚀性与强度高，运行维护费用低的优点；但其单价较高、重量较大，运输与安装存在着诸多不便。PE管有着阻力系数小、不需要防腐、安装便捷等优点；但其刚度较低，且耐温性较差，管径大。

该工程所选用的管材时综合考虑了其所要承受的地质、水压、外部荷载后，结合工程造价的基础上所选择的。该工程末端对于耐腐蚀性有着较高的要求、且有着不易施工的特点，球墨铸铁管有着施工便捷、破损率低、防腐蚀性能好等优点，适用于该工程的末端。该工程的首端地势平坦，且不需要做防腐处理，因此选用了造价更低、使用年限更长的预应力钢管。

4、水锤防护设计

长距离重力流输水工程普遍有着高程差大的特点。随着落差的增大，输水管道所要承受的压力也将变得越来越大。如果闸阀在使用的过程中，没有正常关闭，那么受到高压力的影响就会产生非常巨大的水击压力，进而引发管道爆炸。在长距离重力流输水管道中，非常容易发生断流空腔现象，这种现象集中于管道的转折点、高点。一旦形成断流弥合水锤，就会产生非常巨大的水压力，进而对管道的耐压等级提出更高的要求，使工程的成本增加。为了降低工程的成本，避免出现断流弥合水锤，应采取一定的措施进行预防，以缓解管道的压力。

为了避免出现严重的破坏性水锤事故，该案例将输水管流速规定在了3.2m/s以下。在设计的过程中，随着管材强度的增大、地形复杂性的增加，需要进行水锤计算以保障管道运行的安全性。水锤计算的目的是为了减缓输水流速，当设计时遇到以下情况时，必须采取一定的措施对富余能量进行削减：（1）水源水位变化幅度大。（2）流速＞水锤计算最大流速。（3）运行流速＜设计值，此时管道压力会增大，对安全输水造成一定的影响。减压恒压阀能够有效解决上述三种问题，在遇到情况（1）时，通常将减压恒压阀设置于中上游；在遇到情况（2）时，通常将减压恒压阀设置于下游。

4.1管阀水锤防护设计

在面对管道爆裂、管道下游维修现象时，需要考虑是关闭上游还是下游水阀。在大多数情况下，都会关闭下游出口阀门，但此时非常容易出现关阀水锤。因为阀门的阻力系数随着匀速关阀会出现不均匀增加现象，所以在达到一定程度后，流量会突然暴涨，此时便会出现关阀水锤。因此，在设计时必须安装相应的关闭阀以预防水锤。关闭阀能够有效延长关阀时间，将水锤的压力控制在可控范围内，避免出现关阀水锤现象。

4.2消能减压防护设计

设计人员在设计时，需要注意静水也具有压力。静水压强随着深度的增加会变得越来越大，当其与大气压产生接触时，静压能量在一瞬间会通过其他方式进行消能转换。在这时，管道内部还存在着一定的动水压强，在水空间位置、水流速的影响下，其会产生非常恶劣的影响。

为了避免出现恶劣影响，需要设计并安装相应的减压阀。减压阀能够消除系统内部的大部分富余能量，达到减轻管路末端压力的效果。减压阀的出口恒压值如果根据最大设计水量水压线进行调整，直至出口压力值合理，即可实现最大设计流量的同时，避免减压消耗。在这种情况下，小流量运行时的富余能量会得到有效消除。活塞式与膜片式是两种比较常见的减压恒压阀。前者适用于压力＞1.6MPa的情况下，后者适用于压力≤1.6MPa的情况下。前者的灵敏度与可靠性相较于后者较差，容易产生卡阻。而后者的灵敏性、可靠度要相对更强，且不会产生卡阻。

5、结束语

    本文以实际案例为例，探讨了长距离重力流输水管道在设计时的相关问题。总的而言，设计人员应该正视长距离重力流输水工程设计时存在的问题，及时采取相应的优化措施，才能保障输水工程的质量。

参考文献

[1]高小涛,马浩,马玉涛,等.长距离大流量重力流输水管道设计实例[J].给水排水,2015(10):115-119.

[2]高小涛,李红帅,朱君妍.浅析长距离大流量重力流输水管道设计要点[J].河南科技,2015(1):88-90.