1、长距离重力流输水管道设计问题探讨摘要：随着城市用水规模的不断扩大长距离输水管道已成为城市供水的重要途径之一，长距离输水工程日益增多。但是在施工乃至使用过程中，安全问题已经成为了人们关注的重点，本文就长距离重力流输水管道设计常见问题进行了探讨。 关键字：长距离；重力流输水管道；设计问题 中图分类号：TU99 文献标识码：A 引言： 常见的长距离重力流输水管道设计的主要问题有：1.输水道路路线、管材以及管径等，其直接的影响着工程造价；2.水锤防护，其直接的影响着输水工程的安全性。 一、重力流输水 重力流输水工程是一种比较常见的且理想的输水方式，它具有节能、节电、造价低、运行管理简单等优点。但是选用
2、重力流输水的基本条件是要求具有一定的高程，且地形高差还要满足输水管道沿线各处的构筑物的水头损失需要，要求管道末端具有一定的自由水头，即保证地形坡降要大于输水水力坡降。 二、输水道路路线、管材以及管径设计注意事项 以具体的实体工程为例，某工程，管线全长 30km，首端地势平坦，末端土壤具有一定的腐蚀性，不易施工等特点。设计流量为 2.9m3/s，上下浮动 0.1m3/s，拟采取重力流输水方式，管道高程差为 160m，但是本工程大部分落差集中在管道末端，且管道出口处富余水头较大，设计过程中建议采用分段分压的方式，分别采用 DN1400 球墨铸铁管道以及DN1600 预应力钢筋混凝土管。 2.1 管
3、道选线的原则 由案例可知，本工程具有管线长，投资大，高程差大等特点，因此在确定管线时应本着安全可靠、便于施工及维修、节约资源等特点，针对管道选线应注意的原则有：1.在设计过程中，管道尽量走直线，以期缩短管道的长度，同时可以减少大角度弯头；2.尽量避开地形、地质不利的地段，比如铁路、易发生地质灾害等地点；3.管道走向应符合城市规划的要求，要尽量的避免与道路交通规划等发生冲突；4.尽量选择地形起伏小，能够最大限度的减小土石方工程量的管道方案；5.尽量避开村庄密集区域，以减少不必要的拆迁工程，管道铺设要遵循环境保护原则；6.避免管道通过腐蚀性较大且导电率高的地段；7.当不能避免穿越铁路、公路等时，尽
4、量采用正交穿越的方式，并及时的对管道做好防护处理。 2.2 管材、管径的选择 管材、管径的设计选择将直接的影响到供水用户对用水量、水压以及造价、运行费用。一般来讲，当输水量、水压一定时，管径小，虽然可以节约管材费用，但是管内的水流速度较大，水头损失也就增大，这时运行费用也就会增加；反之，管径越大，关内的水流速度也就越小，水头损失也就越小，这时虽然管材费用较多，但是运行费用却相对较低。本案例中针对管材、管径的选择分别采用 DN1400 球墨铸铁管道以及DN1600 预应力钢筋混凝土管。以管材的设计选择为例，管材的选择主要取决于管道承受的水压、地质施工条件以及外部的荷载、工程造价等因素，并依据给水
5、工程设计以及运行的要求，给水管道应具有良好的封闭性以及耐压力，具有耐腐蚀、内壁不结垢等特点。针对施工线路末端具有一定的腐蚀性且不易施工的特点，且球墨铸铁管具有运行安全可靠，破损率较低，施工方便以及便于维修、防腐性能高等特点，管线末端选择采用球墨铸铁管。针对首端地势平坦，理想的施工方便地带，针对预应力钢管使用年限长，不需要做防腐处理，且造价相对较低，设计中选用了预应力钢筋混凝土管。 设计过程中，常见的管材比较一览表如下： 管材比较一览表 管材 性能 钢管 球墨铸铁管 预应力混凝土管 玻璃钢管 1 最大管径（mm） 设计确定 国内 2000 设计确定 2600 2 承压范围（MPa） 设计确定 1
6、.03.0 小于 1.5 小于 1.5 3 接口形式 焊接或法兰接 承插或法兰接口 承插接口 双承口接头 4 主要用途 给水 给水 给排水 给水、排污水 5 使用年限 30 年 60 年 50 年 50 年 6 防腐及耐久性 需要内外做防腐 不需要做耐腐处理 不需要做防腐 不需要做防腐 7 经济性 价格相对较高 价格相对较高 造价相对较低 相对球墨铸铁管高 三、水锤防护设计 由于本工程高程差相对较大，落差越大，管道所承受的压力就越大，这时一旦发生闸阀非正常关闭，由于高压力的作用，极容易产生较大的水击压力，造成管道爆炸事故。对于特殊的起伏重力流管道，尤其是长距离输水管道，一般在管路的高点或者转折
7、点发生断流空腔的现象，于是便形成断流弥合水锤，水击问题严重，产生严重后果。由于水击的问题增加了很高的水压力，增加了管道的耐压等级，从而也就增加了工程造价，为此，必须采取必要的措施，以降低管道的压力，并预防断流弥合水锤的发生。 3.1 重力流输水管道防水锤设计 为了防止输水管道发生破坏性水锤事故，正如案例中所涉及的那样，输水管流速不应大于 3m/s，当然在设计的过程中，当管材的强度较大时或者地形相对较复杂，为利于管道安全运行，应当通过适当的水锤计算来降低输水流速。在设计的过程中，有压力重水在以下情况下应考虑削减富余能量：1.水源水位的变幅度相对较大时；2.管中流速超过水锤计算所确定的最大流速；3
8、.运行低于设计值，管道压力增加，不利于安全输水。针对上述三种情况，通常采取的设计思路是设置减压恒压阀，针对第一种情况通常设置在输水管道的中上游，第二、三种情况通常设置在输水管道的下游。 3.1.1 关阀水锤防护设计 在现实中存在这样的现象，当发生管道爆裂或者管道下游进行正常的维修时，这时就需要考虑是关闭上游水阀还是下游水阀，在实际过程中，一般采用关闭下游出口阀门的方式，但是当采用这种方式时，虽然具有管道满管水流，再次炒操作方便等特点，却极易产生关阀水锤。 考虑到阀门阻力系数在匀速关阀过程中不是均匀增加的，但是当关阀到一定的程度时流量会突然增加，此时极易造成极大的关阀水锤。因此，在重力输水管设计
9、过程中，一般会设计安装关闭阀以防止水锤。 设计关闭阀目的就是为了延长阀门的关闭时间，延长关闭时间可以将水锤压力控制在一定的范围之内。 3.1.2 设计消能减压防护 一般来讲，静水也是具有压力的，将作用在单位面积上的静水压力称为静水压强，压强值会随着深度的增加而增加，而此压强值又是相对于大气压而言的。当与大气压进行接触时，瞬间，静压能量会以其他的方式进行消能转换，此时管道内还存在着动水压强，受到水的空间位置的影响以及水的流速影响，于是会造成更大更坏的影响。 此时设计安装减压阀，可将系统中的富裕能量的大部分由减压阀自动消除，使得管路末端的压力减轻。另外减压阀出口恒压值依据最大设计水量水压线调整出口
10、压力值，可以实现在最大的设计流量时不减压消耗，而是减小小流量运行时产生的富裕能量。常见的减压恒压阀有膜片式减压恒压阀和活塞式减压恒压阀两种，其中活塞式减压恒压阀适用于压力大于 1.6MPa，膜片式减压恒压阀正好与此相反。膜片式减压恒压阀具有灵活可靠、运行平稳以及无卡阻现象，而活塞式减压恒压阀灵敏性以及可靠性相对于膜片式减压恒压阀均较差，且易产生卡阻现象。 结语： 当然在设计过程中，还应该充分的还考虑到静水压力在线路选择以及管线材质等的选择过程中的重要影响。在山区铺设管道时，设计还应该考虑到尽可能沿着自然等高线进行敷设或者沿着山间洼地进行敷设。但是，由于其自身的优势，长距离重力流输水方式是值得推广的一种方式。 参考文献： 1金锥,姜乃昌,汪兴华等.停泵水锤及其防护(第二版)M.北京:中国建筑工业出版社出版, 2004:6 一 8 2杨玉思,辛亚娟.管网爆管的水力因素分析及防爆技术探讨J.中国给水排水,2006,22(21):61 一 63 3杨玉思,潘惠民,何青.供水系统中大型减压阀的作用分析s1 二中国给水排水,2003,19(7):82 一 83 4刘向荣输水管线设计中的负压问题探讨.山西建筑，2007，( 26) : 220 221
