浅谈重力流输水管道工程设计

浅谈重力流输水管道工程设计
摘要：对长距离重力流输水管道设计的组成与特点进行了介绍，结合工程实例对输水管道设计中的几个相关问题进行了探讨。

关键词：重力流输水管道高差工程设计
随着城市建设的快速发展和人民生活水平的日益提高,长距离大型输水工程越来越多，重力流输水是一种比较理想的供水方式，它具有省电、节能、投资省、成本低、运行管理简单、方便等特点。

重力流输水有它的特殊性，采用重力流输水要具备一定的特殊条件。

选用重力流输水的基本条件就是要有一定的地形高差，这个地形高差要满足输水管道沿线各处理构筑物的水头损失需要，并直接接入用户的蓄水池，且其末端还需要一定的自由水头，这时的地形高差还要求大一些，即地形坡降要等于或大于输水水力坡降。

结合某配水管网工程的实际情况，谈几点体会。

某配水管网工程供水设计能力为24万m3/d，是一个完全依靠重力输水的大型长距离供水工程。

工程概况
输水管道由水厂引出，主要供于洪庆、纺织城、航天基地、曲江二期及曲江旅游度假区。

输水可分为南北两线供水。

南线供水区域包括国家民用航天基地和曲江二期总供水量为12万m3/d；北线向临潼方向供水，包括纺织城、洪庆组团和国家旅游休闲度假区，总供水量为12万m3/d。

输水管道全长约43Km，设计管径DN600～DN1200。

输水管道定线
输水管道担负着将水厂出水送往城市的输水任务，管线长、投资大，管线方案的选择直接影响到管道的长度，对工程项目的技术可行性和经济合理性影响巨大。

因此，管位选择应本着安全可靠、节约能源、降低投资、缩短工期、便于施工和运行维修管理的原则出发，并根据技术条件，多方案综合考虑。

管道选线应遵循以下原则：
管道走向的位置应符合城市规划要求，并尽可能沿现有道路或规划道路敷设，以利施工和维护；注意与已批准的道路交通规划、城区规划等协调，减少冲突。

管道尽量走直线，以缩短管道长度，并可减少大角度弯头。

尽量避开地形、地质不利地段，如河谷、山脊、沼泽、重要铁路、泄洪地区和地质灾害点。

尽量选择地形起伏小、地质条件较优、水利条件较好的管线方案，可以减少土石方工程量，降低工程造价。

尽量避开沿线村落建筑密集区，以减少拆迁；尽量避免与各种障碍物交叉；尽量少占农田、少伐树；工程建设要保持与环境协调。

为防止土壤对金属管道的腐蚀，应避免通过土壤腐蚀性大，导电率高的地段。

遇河流、铁路、公路以及地质条件不利的地段，尽量正交穿越，缩短穿越距离，征求相关主管部门意见后，对管道作防护处理。

管线应考虑近远期结合和分期实施的可能。

根据以上原则综合工程实际情况，某配水管网工程在经过多次实地踏勘，多次方案比选，最终选择合理的管道线路。

管径计算及管材选择
管径计算
选择管径除应满足供水用户对水量、水压的要求外，还要考虑管材造价和运行费用。

当输水量、水压一定时，管径越大，管内水流速度越小，水头损失则越小，虽管材费用较多，但运行费较低。

反之，管径小，虽可节省管材费，但管内水流速度增大，水头损失增大，运行费用随之增多。

因此，选择管径实际上是确定管内经济流速。

配水管网计算管径时秉着以既满足工程要求又节省造价的原则，根据各个分区用水量，又将经济流速选为0.8～1.6m/s之间，计算出管径，再通过水锤分析，最终确定各个管段的管径DN600～DN1200。

管材选择
给水管道可分为金属管（铸铁管和钢管等）和非金属管（预应力混凝土管、玻璃钢管、塑料管等）。

管道材料的选择，取决于管道承受的水压、外部荷载、地质及施工条件、市场供应情况等。

按照给水工程设计和运行的要求，给水管道应具有良好的耐压力和封闭性，管道材料应耐腐蚀，内壁不结垢、光滑、管路畅通，使管网运行安全可靠，水质稳定，节省输水能量。

以下就常见得给水管材作以下比较：
各种管材比较一览表
在某配水管网中，考虑到工程供水压力高，管材要求质量要求高，又因为管道管径DN600～DN1200属于球墨铸铁管经济口径范畴，本工程主要采用球墨铸铁管，在穿越障碍物或设置拖拉墩处时采用钢管。

配套工程及附属设施
水厂清水池最高水位615m，南线输水管道末端至南郊水厂，水厂清水池最高水位451m，南线管道最低点地面与管道起点高差可达190m；北线输水管道末端至井沟配水厂，配水厂清水池最高水位528m。

北线最低点地面与管道起点高差可达205m。

为保证供水的安全性防止爆管事故的发生，以及供水压力的稳定，某配水管网共设有6座配水厂、2座调流调压基站，25座检修阀门井、79座排气阀门井及49座泄水井。

配套工程
配水管网的每一座配水厂都设有1座清水池，其调节容积按最高日供水量的10%～20%设计；在清水池前设置阀室（按水流方向布置为检修阀、流量计、压力表、调流调压阀、压力表和检修阀），可根据来水流量、压力和清水池水位的变化自动调节开度，使入池压力均匀稳定。

清水池内设置水位器监测水位控制水力调节阀的自动调节开度。

为了保证管道上游压力和减低管道最低端的压力，输水管南北线各设置1座调流调压基站。

调流调压基站内部包括：流量计、管道过滤器、调流调压阀、压力监测设备、旁路调流调压阀、压力波动预止阀和防水锤型空气阀。

附属设施
为消除开关阀引起沿线管道出现负压和“断流空腔弥合水锤”，在沿线局部高点安装防水锤空气阀51个，规格为DN80～DN150，工压为PN1.0～2.5MPa；并在沿线坡度比较平缓的管道安装组合式排气阀28个，规格为DN100～DN150，工压为PN1.0～2.5MPa；设置79个排气阀井。

为消除因关阀引起的正压水锤，在各个厂站或低洼处设置压力波动预止阀11个（南线3个、北线8个），规格为DN200～DN300，工压为PN1.0～2.5MPa。

为了方便管道检修，在每隔2～3km处或穿越河沟和铁路两端设置检修蝶阀，共设置25个蝶阀，规格为DN600～DN1200，工压为PN0.6～2.5MPa。

为防止局部地基不均匀沉降，在穿越处、阀门等处增设柔性接头，采用法兰式柔性接头，南北线共设置25个。

为排除管道中的积泥和在管道出现事故时放空管内积水，在输水管道的适当位置设有排泥放空阀。

配水管道共设置排泥放空阀49个，规格为DN200～DN300，工压为PN0.6～2.5MPa。

排泥放空阀设置在阀门井内，而后设置排泥湿井，湿井设置排水管排入附近雨水井或排水沟。

在管道弯转处、三通处、水管末端都会产生拉力，接口可能因此松动脱节，而使管线漏水，因此，在这些部位须设置支墩以承受拉力和防止事故。

在管道大坡度段以及阀门井前，根据管道受力情况，采用钢筋砼防滑墩或拖拉墩（用管箍与管道连接），以保证管道整体抗滑移和管道的稳定性、安全性。

配水管网设计中以保证供水水质及供水安全可靠为目标，以降低能耗和漏损为重点，采用先进可靠的工艺、技术和设备，运用自动监控和管理手段，使本工程达到国内领先、国际先进水平。

目前该工程正在施工当中。

结语
重力流输水具有省电、节能、投资省、成本低、运行管理简单、方便等优点，它是一种值得推广的供水方式。

因此在地形条件允许的情况下，建议应尽量采用重力流输水。