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摘要：長距離輸水工程是指距離超過10km的用管（渠）道輸送原水、清水的建設(shè)工程。一般包括輸水管（渠）道、加壓泵站、管道穿越障礙物措施、附屬設(shè)施和管道附件等內(nèi)容。從輸水線路、輸水方式、管材比選、管線工程設(shè)計(jì)等方面對輸水工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了論證。

關(guān)鍵詞：長距離輸水；管線布置；管材選擇；輸水建筑物

1工程概況

某輸水工程的主要任務(wù)是向金塔縣境內(nèi)的產(chǎn)業(yè)園提供生產(chǎn)及生活用水。年供水量500萬m3，線路長127.25km，工程等別為Ⅰ等。取水點(diǎn)帶壓高程約1496.50m，出口高程1247.3m，供水總落差249.20m。供水線路平均落差1.99m/km，滿足重力自流輸水要求，考慮運(yùn)行成本，設(shè)計(jì)中無需考慮加壓輸水，只需按照重力輸水設(shè)計(jì)。

2輸水線路、輸水方式比選與研究

2.1輸水線路布置與比較

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘選線，結(jié)合工程區(qū)地形地質(zhì)條件，擬定了南線、中線、北線三條輸水線路，三條線路起點(diǎn)與末端相同，其中南線線路總長127.25km，中線線路總長113.32km，北線線路總長115.00km。中線線路最短、水力坡降過渡條件最好，但是其線路橫穿金塔縣沙棗園子省級自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)，在現(xiàn)有國家政策下，沒有審批通過的條件，以下對南線線路和北線線路進(jìn)行重點(diǎn)比較。南線方案優(yōu)點(diǎn)是輸水線路沿沖洪積傾斜平原區(qū)和沙丘地帶邊緣布置，地質(zhì)條件相對較簡單，基本無不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，需進(jìn)行地基處理地段相對較短；地形坡降變化相對均勻，便于水力控制及消能設(shè)施布置，對工程安全運(yùn)行有利；工程基本不占用耕地，不產(chǎn)生移民。缺點(diǎn)是穿越金塔縣沙棗園子省級自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)和緩沖區(qū)，需辦理相關(guān)審批手續(xù)；線路相對較長，施工用水不便。北線方案優(yōu)點(diǎn)是管線穿越花海盆地，輸水線路較短；管線通過農(nóng)業(yè)區(qū)，前半段施工道路基本具備，施工用電、用水方便，施工過程中生活方便；避開沙棗園子自然保護(hù)區(qū)。缺點(diǎn)是盆地地形落差大，工程布置困難；細(xì)土平原需進(jìn)行地基處理段相對較長；占用耕地量大，居民點(diǎn)干擾大。經(jīng)綜合比較分析，北線方案投資較大，并且存在工程布置困難，需占用大量耕地的缺點(diǎn)；而南線線路地形坡降變化相對均勻，便于工程布置，并且基本不占用耕地，不通過居民點(diǎn)。故本階段推薦南線輸水線路。

2.2輸水方式比選研究

2.2.1輸水方式擬定

供水管線根據(jù)地形布置，自取水點(diǎn)起向東高程逐步降低，穿過石油河谷后高程有所上升；石油河之后高程一路下降，至管線中段樁號64+716.70m（三九農(nóng)場南側(cè)接近玉門南山省級自然保護(hù)區(qū)）處，高程降至最低；過南山保護(hù)區(qū)后在樁號83+574.10m處高程上升至后段最高點(diǎn)，之后在樁號119+017.60m處高程降至最低，然后高程又緩慢上升到達(dá)末端金塔廠址。供水管線在石油河以西地形起伏不平，石油河以東整體呈兩個(gè)大倒虹吸布置。根據(jù)以上管道沿線地形特征，設(shè)計(jì)擬定有壓重力輸水和有壓無壓結(jié)合輸水（有壓重力和無壓重力混合）兩種輸水方式進(jìn)行設(shè)計(jì)比較。

2.2.2輸水方案設(shè)計(jì)

1）有壓輸水方案。有壓輸水方案管線在起點(diǎn)接入有壓流，沿途始終以滿管、有壓方式運(yùn)行，沿線根據(jù)地形高差、坡降變化，分段選用合理管徑和公稱壓力的管道。根據(jù)工程管線布置特點(diǎn)，管道沿線設(shè)置三處調(diào)節(jié)水池，把長距離重力流分為三段，在每處調(diào)節(jié)水池前均設(shè)置有調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)行消能。有壓方案在樁號39+772.20m、89+888.30、125+528.90m（末端）布置三處消能工，遠(yuǎn)程控制機(jī)械設(shè)備消能。前兩處消能工設(shè)置調(diào)節(jié)水池，末端消能工預(yù)留水頭直接進(jìn)入廠區(qū)水處理設(shè)施，并分水至廠區(qū)調(diào)蓄水池。2）有壓無壓結(jié)合輸水方案。有壓無壓結(jié)合輸水方案管線同樣自起點(diǎn)內(nèi)供水管道接入有壓流，沿途在地形起伏處以有壓重力流形式運(yùn)行，在較長的順坡段以無壓流運(yùn)行，其中有壓流段長84.00km，無壓流段長43.25km。有壓無壓結(jié)合輸水方案在樁號12+061.00、15+932.30、49+299.20、83+574.10、93+460.50、127+250.20m（末端）布置六處消能工。其中49+299.20和93+460.50m兩處為無壓流消能工，布置為消力箱；其余四處為有壓流消能工，布置為消能井。有壓無壓結(jié)合輸水方案全部采用建筑物消能，不使用機(jī)械設(shè)備。

2.2.3輸水方式比選

1）管道布置條件。有壓輸水方式可以根據(jù)地形落差和壓力水頭，均勻布置消能工，在局部區(qū)段可以充分利用地形高差變化，使輸送設(shè)計(jì)流量時(shí)所采用的管徑最小，達(dá)到節(jié)約管材的目的；可以根據(jù)地形敷設(shè)管道，基本不受地面起伏影響，土方開挖工程量較小。有壓無壓結(jié)合輸水方式在無壓流段必須保持一定的向下縱坡，開挖量較大；輸水管道采用建筑物消能，導(dǎo)致消能工的規(guī)模偏大。2）運(yùn)行管理?xiàng)l件。有壓輸水方式優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行靈活，自動化程度高；管理、維護(hù)方便。缺點(diǎn)是全程采用機(jī)械控制，對設(shè)備的依賴度較高，水力機(jī)械設(shè)備的保養(yǎng)、檢測要求較高，管道保護(hù)設(shè)備必需年檢，維修。有壓無壓結(jié)合輸水的優(yōu)點(diǎn)是各消能工處靜水頭壓力較小，有利于消能，各消能工直接采用水工建筑物消能，可靠程度較高。缺點(diǎn)是自動化程度較低，水流運(yùn)行條件較差，管道容易出現(xiàn)明、滿流現(xiàn)象。3）主要工程量及投資比較。經(jīng)工程量和投資比較，有壓輸水方式工程部分投資較有壓無壓結(jié)合輸水方式少12491.12萬元。經(jīng)綜合比較，確定輸水方式為有壓輸水方式。

3管線工程設(shè)計(jì)研究

3.1管道設(shè)計(jì)

管道布置采用“雙管輸水，互為備用”的布置方式。兩條管道采用相同管徑，并行布置，溝埋式設(shè)計(jì)，管道間防沖刷間距定為15m，管道之間在檢修井前使用連通管連接。供水管道管材選用球墨鑄鐵管標(biāo)準(zhǔn)管件，管徑根據(jù)高程落差和水頭損失，選用DN500mm、DN600mm。設(shè)計(jì)溝底開挖寬度1.45～1.60m，即管道兩側(cè)預(yù)留0.5m的施工寬度。管槽平均開挖深度2.5m，開挖邊坡：基巖1∶0.2，砂礫石和粉質(zhì)黏土1∶0.75，粉細(xì)砂1∶1.5。為保證管道冬季安全運(yùn)行，管道埋深必須在凍土層以下，根據(jù)氣象資料，工程區(qū)最大凍土深度1.50m，因此設(shè)計(jì)管頂以上回填埋藏深度設(shè)計(jì)達(dá)到2.0m以上。管槽填筑設(shè)計(jì)：溝底設(shè)計(jì)20cm厚細(xì)礫石墊層，最大粒徑不大于20mm，采用現(xiàn)場開挖料篩分，墊層壓實(shí)相對密度不小于0.8；墊層上敷設(shè)管道；墊層至管頂以上50cm范圍內(nèi)采用開挖料夯填，壓實(shí)相對密度不小于0.75；管頂50cm以上部分用原開挖料回填至與原地面齊平，并預(yù)留沉陷高度20cm，即管頂以上范圍內(nèi)回填土高出周圍地面20cm。

3.2管道附屬建筑物

單條管道沿線設(shè)置3座消能閥室，2座調(diào)節(jié)水池，22個(gè)檢修閥井，16個(gè)放空閥井，116個(gè)排氣、補(bǔ)氣閥井，3個(gè)電磁流量計(jì)閥井。1）檢修閥井。為方便檢修，每5～10kmm設(shè)置一個(gè)檢修閥。每個(gè)檢修閥配建一座檢修閥門井，單條輸水管道建設(shè)22座檢修閥井，共44座。2）放空閥井。在每個(gè)檢修管段，至少設(shè)置一個(gè)放空閥，放空閥布置于管道低洼處及閥門間管段低處，在管道順坡、無起伏的閥門間管段，放空閥布置于檢修閥井內(nèi)，管道低洼處單獨(dú)配建放空閥井。單條管道與檢修閥并井布置放空閥10個(gè)，單獨(dú)配建放空閥井16座。共布置32座放空閥井。3）調(diào)流調(diào)壓閥室。根據(jù)工程管線布置特點(diǎn)，管道共設(shè)置3處消能設(shè)施，采用調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)流減壓。調(diào)流調(diào)壓閥選用根據(jù)對閥門前后的壓力和流量監(jiān)測來進(jìn)行PLC自動控制的調(diào)節(jié)閥門，其結(jié)構(gòu)型式多樣，減壓和控流性能突出，閥前配套設(shè)置全自動管道過濾器。每處調(diào)流調(diào)壓閥配建一座調(diào)流調(diào)壓閥室，單條輸水管道設(shè)置3座，共布置6座。4）調(diào)節(jié)水池（平壓水池）。在管線中間兩個(gè)消能設(shè)施后布置2座調(diào)節(jié)水池連接上下段管道，調(diào)節(jié)水池處形成自由水面，實(shí)現(xiàn)了管道的完全消能，水池后連接下一級管道，從0水頭開始進(jìn)行下一級水流輸送。管道末尾消能后直接進(jìn)入廠區(qū)淡水處理廠的水池，不再另建調(diào)節(jié)水池。

4結(jié)語

長距管道離輸水工程一般距離較長、起末點(diǎn)落差較大。在設(shè)計(jì)過程中要選擇水力過渡條件比較均勻的線路以保證輸水管線運(yùn)行的穩(wěn)定，線路沿途需要設(shè)置消能工進(jìn)行分段消能來降低各分段的最大靜水頭提高管線運(yùn)行的可靠性。管材費(fèi)用占工程的總投資比例較大，所以選擇性能可靠、經(jīng)濟(jì)合理的管材也是工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

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作者:張宏飛 單位:甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司