禹门口提水东扩工程输水管道设计

禹门口提水东扩工程输水管道设计
张杰
【摘要】介绍了禹门口提水东扩工程基本概况,从管材选择、管道水力计算、管道埋设和防腐三方面对输水管道设计进行了阐述,对该工程输水管道进行合理设计后,可大大缩短施工工期,减少工程投资,可为同类工程管道设计提供参考.
【期刊名称】《山西水利》
【年(卷),期】2010(000)004
【总页数】3页(P47-49)
【关键词】输水管道;管材选择;水力计算;禹门口东扩工程
【作者】张杰
【作者单位】山西省水利水电勘测设计研究院,山西,太原,030024
【正文语种】中文
【中图分类】TV672+.2
1 工程概况
禹门口提水东扩工程位于山西省中南部，是向新绛、稷山、襄汾、侯马、曲沃、翼城六县市工农业及农村生活供水的保障性给水工程。

年农业供水量（包括汾河生态用水）8095万m3，工业供水量8030万m3，总计 1.61 亿 m3。

工程干线起点位于新绛县禹门口提水工程二级干渠光马渡槽末端，终点位于距翼城县城6.0km的西梁水库。

其间分别设置了向襄汾原井灌区供水支线、新绛供水提
水支线、侯马和曲沃分水口、汾河生态补水输水支线、侯马北庄灌区分水口、浍河灌区供水支线等。

另外，在禹门口提水工程二级干渠桩号Q44+324处设置了向稷山汾南灌区供水支线。

工程沿线共布置调蓄水库2座，提水泵站4座，主管线全
长48.8km，支管线长20.0km，输水干渠总长11.1km，支渠总长34.3km。

工程分两期实施。

2 输水管道设计
2.1 管道材料选择
从目前国内管材生产的技术来看，钢管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃纤维增强塑料夹砂管（RPMP）、预应力混凝土管（PCP）均可满足以上几方面的要求，而PCP虽然其单位长度的造价明显低于上述其他管材，但由于在接头密封处理、抗沉陷变形、使用寿命等方面的不足，使得该管材的运行维护成本、二次投入成本均高于其他管材。

结合国内长距离输水工程管材选用和工程的实际情况，重点对钢管、PCCP和RPMP进行综合比较，以确定推荐管材。

2.1.1 钢管
钢管的优点是管材强度较高，耐工作压力高，铺设方便，适应性强，接口形式灵活，管道渗漏较少，单位管长重量较轻，适用于地形复杂地段和穿越各种障碍。

缺点是价格相对较高，并需对管道做防腐处理。

2.1.2 预应力钢筒混凝土管
预应力钢筒混凝土管（PCCP）是由钢板、钢丝和混凝土构成的复合管材，是在钢筒内壁成型混凝土层后在混凝土管芯外表面缠绕环向预应力钢丝，并辊射水泥砂浆保护层制作而成。

其设计方法先进、安全，能承受高的内压和外部荷载，接头密封性好，对地基适应能力强、抗震性能好，有较高的通水能力，耐腐蚀性能好，可通过焊接部分接头抵抗推力，管道运行经济安全，造价低，寿命长，社会综合效益好。

同时具有耗钢少、价格相对较低、使用寿命长等特点，目前国内已广泛应用于长距
离、大流量的城市供水工程中。

2.1.3 玻璃钢管
玻璃纤维增强树脂缠绕成型夹砂管（RPMP）是近年来国内的一种新型管材。

优点是材料强度高，密闭性好，重量轻，管道内壁光滑，相应水头损失小，具有良好的防腐性，管道维修方便快捷，特别是管道重量轻，需要的大型设备少、费用低。

缺点是管道为柔性管，抗外压能力相对较差，对回填土施工技术要求较高，目前已建成并经过长时间运行考验的工程实例还较少。

由上述可知，PCCP、钢管、RPMP均能满足供水要求，根据工程的具体情况，输水管线由于受管道内压波动和水锤的影响，对管道本身的耐久性、抗外压性能等都有较高的要求。

所以该输水工程主管道三泉水库至西梁水库段设计选用PCCP，管道糙率按设计手册并结合其他工程经验取0.0125；三级泵站浍河出水池至浍河水库段为重力流段，线路起伏较大，管道直径相对较小，设计选用RPMP，管道糙率取0.0095；新绛支线、汾河生态补水支线设计选用钢管，管道糙率取0.012。

2.2 管道水力计算
根据实际地形和管道走向布置管道及其附属建筑物，并根据计算确定管径及压力等级。

管道纵坡设计尽量与地面坡度一致，以减少沟槽的开挖和回填量。

2.2.1 管径计算
管道的管径按下式初步选择：
式中：D——设计管道内径，m；
Q——设计引水流量，m3/s；
v——管道经济流速，m/s。

2.2.2 水头损失
沿程水头损失计算采用如下公式：
式中：hf——管道沿程水头损失，m；
v——管道断面平均流速，m/s；
C——谢才系数；
R——水力半径，m。

管道谢才系数，其中：n为管道的粗糙系数，PCCP综合糙率取0.0125，RPMP
综合糙率取0.0095。

经计算，各段管道的水头损失见表1。

2.2.3 主管线管径与扬程比选
禹门口提水东扩工程采用梯级泵站提水、扬程较大、输水管道较长，管材、管径的确定将直接影响工程投资和运行管理费用。

设计通过钢管、PCP，PCCP，RPMP
管道技术、经济比较，选定PCCP为主要输水管材；通过输水管径、泵站扬程、
运行费用的技术经济比选，确定经济、合理的管道直径。

表1 管道内径及水头损失输水管段管径/m 管材最大流速/（m·s-1）输水流量/（m3·s-1）最大流量最小流量最小流速/（m·s-1）管道水头损失/（m·km-1）大小最大工压/MPa一级泵站至二级泵站 5.39 2.14 2.0 PCCP 1.72 0.68 1.16 0.18 0.6二级泵站至西梁出水池 3.6 0.93 1.8 PCCP 1.42 0.37 1.15～0.91 0.06 1.2西
梁出水池至西梁水库 3.6 0.93 1.4 PCCP 2.34 0.60 3.43 0.23 0.6三级泵站至浍河支线泵站出水池 3.12 1.6 PCCP 1.55 1.28 0.6浍河支线泵站出水池至浍河水库
3.12 1.2 1.0 RPMP RPMP 2.76 3.97 3.42 9.05 0..6 0.6新绛支线 0.41 0.8 钢管0.82 0.82 0.6汾河生态补水支线 1.83 1.0 钢管 2.33
4.97 1.0
该工程为工业、农村生活饮水和农业灌溉供水，并采用一条管道输水，若考虑供水时间分布不均，减少管道直径降低工程投资，加大泵站扬程增加运行费用，但工业、农业供水各占50%的供水量，初步计算，采用加大泵站扬程减小管道直径方案将
会增加运行管理费用（见表2）。

更为重要的是，若管径选择较小，管道沿程损失较大，水泵扬程较大，管道选定扬程和实际地形扬程偏差很大，在单一工业供水和工农业供水流量变化较大，或在工业供水规模未达到设计要求的前几年，水泵不可能在有效区内运行，严重影响水泵的使用寿命。

表2 主线各级泵站管径、扬程改变后工程费用和运行费用比较泵站长度/km供水流量/万m3管径减小/mm扬程增加/m年运行费用增加/万元工程投资减少/万元
一级泵站 2.91 9512 200 4 97 291二级泵站 19.32 4718 200 14 169 1350三级泵站 8.15 3533 200 7 63 570小计 329 2211注：计算一次性投资的费用相当于工程运行6.7年的费用，说明主线管道直径选择2.0m和1.8m是经济合理的。

2.3 管道埋设及防腐
2.3.1 普通段管道埋设
输水管道大部分随地势铺设，总干管路穿过的地层多为湿陷性黄土区和砂卵石土层，沟槽开挖边坡为1:0.5～1:1。

根据地质勘察资料，管道沿线除穿汾河段不存在湿陷性外，其余地段均为自重湿陷性和非自重湿陷性黄土，地基自重湿陷量的计算值为0～768.0mm，湿陷量的计算值为0～908.0mm，属（非）自重Ⅱ级（中等）～
自重Ⅳ级（很严重）湿陷性场地，揭露湿陷土层深度约15.0m，管道基础处理参
照省内湿陷性黄土地区PCCP管道输水工程经验，分自重湿陷性和非自重湿陷性
两种类型进行，分别采用1.0m厚和0.5m厚的2:8灰土进行换基处理，压实度不小于0.95；遇湿陷性黄土地基时，管线管道基底以上均铺设0.15m厚的砂砾石垫层；遇非湿陷性黄土地基时，管线管道基底以上均铺设0.3m厚的砂砾石垫层。

管道埋设完成后，回填至原地面，但管顶以上覆土厚度应不小于1.5m，可将开挖的砂卵石、土和土石作为回填料直接回填。

管道回填分为5个区，管道垫层为砂砾料，最大粒径20mm；管道基角120°以下（包括砂砾石垫层）为回填Ⅰ区，回填料为砂砾料，最大粒径不超过50mm，回
填相对密度不小于0.75；管顶以下500mm为回填Ⅱ区，回填料为开挖土，压实
度不小于0.95；管顶500mm以上至地面以下300mm为回填Ⅲ区，回填料为开
挖土，压实度不小于0.90；最上部分为回填Ⅳ区，回填料采用耕植土回填至地面
以上300mm，整平不压实；回填时管道两侧应均匀上升，每层回填厚度应不大于300mm。

2.3.2 管道的防腐
地质资料表明，该项目所在地区地下水为松散岩类孔隙水，主要接受大气降水及边山地下水侧向补给。

汾河水水化学类型为SO4-HCO3-Ca-Mg-Na型水。

按照《水利水电工程地质勘察规范》，判定为硫酸盐型中等腐蚀性。

浍河支线输水管线段环境水对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性；另外，输水管道沿线局部地区（桩号20+425.9～21+450.2段）土壤
对钢筋存在弱腐蚀性。

考虑到禹门口提水东扩工程为工业和农村生活供水的重要性，参考国内类似大口径、长距离输水管道工程的经验，同时考虑供水地区经济发展和环境变化的影响，设计对PCCP采用管道外表面涂环氧煤沥青防腐涂料进行管道
的防腐蚀保护，厚度400μm。

钢管内防腐采用水泥砂浆，厚度10mm，钢管外防腐采用三油两布。

3 管道抗浮稳定计算
根据地质资料可知，在主管线桩号16+034.6～20+425.9之间，管线通过汾河漫
滩及汾河Ⅰ级阶地，地下水位埋深较浅，仅0～5.7m，设计对该段管道进行抗浮
稳定计算。

此段管道管径为2.0m。

选取单位长度管道进行抗浮稳定计算，地下水位埋深按0
考虑，允许抗浮稳定安全系数为1.1。

经计算，管道顶部覆土厚度大于1.60m时
才能满足管道抗浮稳定要求。

安装回填过程应注意管道漂浮。

4 结语
禹门口东扩工程为山西省大型引调水工程，规模大、线路长、内容多，针对输水线路的特点，管道设计在整个工程设计中起至关重要的作用，合理选择管材和管径可以缩短施工工期、方便运行管理和减少工程投资。