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摘要：本文针对远距离大口径压力输水管线的特点，通过对管线设计中管道走向、管材选择、经济管径确定、防水锤措施的论述，提出了设计中应注意的一些要点，希望对同类工程设计有一定的参考价值。
关键词：远距离大口径管材选择 压力输水管线水锤防护
中图分类号：TV672文献标识码： A 文章编号：
远距离大口径压力输水工程的特点
远距离大口径压力输水工程是城市供水系统中的一个重要组成部分,由于是压力输水，管道敷设受地形条件限制较小，管道可以穿越河流、铁路、 公路等障碍物将水输送至目的地，工程应用较广。其主要特点是管线长、规模大、高扬程、多级提升、沿线地形复杂、投资费用大、水锤威胁较为严重、安全稳定性要求高。其建设和运营需要投入大量的资金和消耗大量能源，施工周期长，因此对其设计要点进行必要的分析和探讨，无论从社会效益，还是从经济效益上讲都是很有必要的。
管道走向的确定
管道走向的选择，是确定设计方案的关键所在，决定了整个设计的合理性、工程的造价及施工的难易程度。由于管线距离长、建设时影响范围大，管道定线是一项复杂、细致的工作，涉及到许多政府部门、企业和个人，工程前期应进行大量的现场调研及协调工作，使得走向方案具备可实施性，以免造成工程实施过程中的频繁改线，不但无法保证工期，也增加了工程造价。通过相关输水工程的设计和施工配合工作，总结出以下几点选线原则。
(1)符合城市总体规划及管道规划布局要求,布置管线时尽量缩短管线,但不一定最短就最好,要综合考虑。
(2)应尽可能减小与各种障碍物及其他工程的相互影响，如遇河流、铁路、公路以及地质条件不利的地段则需进行防护。
(3)尽量避免拆迁建筑物和占用农田，以降低工程投资。
(4)布线时水力条件好，管理方便，电耗低。
(5)管线应尽量沿现状或规划道路埋设，以便于将来维护管理(抢修、放水)。
(6)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。
(7)在方案設计阶段应将施工因素充分考虑到,保证设计的合理性。
从上述原则可以看出，选线时应本着技术上安全可靠、节约能耗、降低投资、便于施工和运营维护的原则出发, 并根据技术条件，综合考虑，多方案比较，以求达到合理。
管材的比选
在远距离压力输水工程中管道占投资的比重较大，因此管材的比选对节省投资、方便施工、安全运行意义很大。目前我国生产使用的适用于大口径承压输水的管材主要有钢管（SP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢夹砂管（RPMP）和球墨铸铁管（DIP）。因此，将围绕上述四种管材就以下几个方面做技术经济比选。
工程力学性能
钢管适用性最强，由于其环向强度、弹性模量较高，可承受较高的内水压力和管顶外荷，所以能适应各种地质条件，一般情况下不需做管道基础处理；球墨铸铁管承受外压的能力比钢管差，道路以下埋深相对较浅时应做加固处理，球墨铸铁管为柔性接口，抗震性能高，管道转弯处需设支墩，以防接口脱落；预应力钢筒混凝土管为半柔性接口，要求管道基础变形不应过大，在砂夹石的管基上应作砂垫层，在松软黏土层上应做砂夹石过渡层，使管道敷设过程中减少产生集中应力，承受内外压的能力较强,；玻璃钢夹砂管为薄壁弹性管，承受外压的能力较弱，其环刚度为主要控制指标。一般埋地管环刚度采用5000～7500N/m，特殊地段（穿越公路等）需采用10000N/m。相对而言玻璃钢夹砂管壁薄，为柔性接口，对基础与回填要求较高。
水力条件
大口径输水管由于其流量大、距离长，输水能耗较大,在保证输水的安全可靠的前提下，应优先选择水力条件好的管材,以节约运行成本。管壁粗糙度对减小水流阻力，降低水头损失有着重要作用。钢管和球墨铸铁管的管壁粗糙系数n值为0.013,预应力钢筒混凝土管的管壁粗糙系数n值为0.011,玻璃钢夹砂管的管壁粗糙系数n值为0.009。可见玻璃钢夹砂管水力条件最好。
耐腐蚀性及维护
钢管内外壁需做除锈和防腐处理，除锈和防腐层的质量好坏，对使用年限有较大影响，长距离输水管线还可辅以电化学保护，以延长其使用寿命；球墨铸铁管具有良好的防腐性能，内防腐采用水泥砂浆衬里，外防腐采用喷锌和煤沥青防腐漆；预应力钢筒混凝土管和玻璃钢夹砂管耐腐蚀性能好，不需做内外壁防腐层。
接口形式及可靠性
钢管接口采用焊接，焊接质量达到规范要求的情况下，不会发生渗漏；球墨铸铁管密封性好，为柔性接口，抗震性能高，但大口径球墨铸铁管管壁较薄，承插口端容易变形，影响管道敷设；大口径预应力钢筒混凝土管采用承插口连接，双 O 形橡胶圈止水，密封性能高，接口带有试压孔，安装后可每个接头逐一试压；玻璃钢夹砂管接口一般为承插口橡胶圈止水柔性接口，抗震性能较好。
综合比选
管材的选择一般要根据工程的规模，管道的工作压力，各种管材的特点，口径适应范围、造价、施工条件、管道制造供货等方面综合考虑，合理地选择管材。每项工程都具有自身的特殊性 ,因此管材选用须有较强的针对性，同一工程中根据沿线不同的情况可选用不同的管材。
经济管径的确定
经济管径的确定,对输水工程的合理性和工程总造价的控制至关重要。在确定了设计方案和管材后, 可确定经济管径。经济管径分析计算的方法种类很多，根据我院的工程实践，目前常采用最低成本法，即总投资现值比较法，计算确定经济管径,具体原则如下：
（1）总投资现值＝年经营成本换算为现值+投资现值，即Pw＝A（P/A，ⅰ，n）+P
式中：
P――投资现值，即管道铺设总费用（万元）；
A――年经营成本，以运行电费计（万元/年）。
（2）收益率ⅰ取8％，计算年限n取20年。
（3）管道铺设总费用，包括管材费、制作费、运输费、内外壁防腐费（指钢管）、施工费和绿化赔偿费等。
（4）水量按管段的折扣水量计算。
（5）运行电耗计算，采用最高日、平均日、最低日水量分段计算，以尽量反映实际运行电耗。
（6）水量的计算原则考虑供水水量的逐步增加，建成后前10年按总规模的80％，后10年按总规模的100％考虑。
管道水锤防护措施
远距离压力输水工程由于管线长、压力高、流量大，管中流速一般较大，容易发生水锤事故。结合相关工程的实际情况，可能造成输水管线破坏的主要原因是停泵水锤和关阀水锤，其主要特点是管道内产生瞬变流，压力急剧变化且延续时间长。工程设计时，可根据水力计算和水锤模拟的结果采取相应保护措施，主要采用以下几种方式防止水锤。
（1）采用水力控制阀，一种采用液压装置控制开关的阀门，一般安装于水泵出口，该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。
（2）设置空气阀
根据水锤模拟结果，当管道内产生瞬变流时，为防止管道内某些部位因为水柱的分离和弥合出现压力的急剧变化，在这些部位需设置防水锤空气阀。该种空气阀在负压工况下，会快速地打开进气，以保护管线不受负压的影响和破坏；当水柱弥合时，排出空气并限制排气速度，延长水柱弥合时间，从而降低震动，消灭水锤。工程设计时，空气阀除按照计算位置设置外，在管线驼峰处、长上、下坡管段处，长水平管段处也需布置。
（3）超压泄压阀
根据管路系统的工作压力自动启闭，当管道内压力超过泄压阀设定压力时，自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下。直径可取输水管道直径的1/5-1/4。
（4）单向调压塔
单向调压塔是防止产生负压（水柱分离）和消减断流弥合水锤过高升压的经济有效、稳妥可靠的停泵水锤防护措施与设备，设置于输水干线上容易产生负压和水柱分离的诸主要特异点处（如主要峰点、膝部折点、驼峰以及鱼背等处）。
设计时通过综合采用各种水锤防护措施的优点，使水锤防护系统有效地分布于整个输水管线工程中，可有效提高管道运行的安全可靠性。
结语
远距离输水管线工程在供水系统中占有相当重要的地位，设计不合理容易引起工程事故，造成重大损失。因此如何制定技术可行、经济合理、安全可靠的设计方案，是摆在工程设计人员面前的重要课题。本文通过对该类工程设计要点的介绍，希望能对相似工程的设计提供一些帮助.
关键词：远距离大口径管材选择 压力输水管线水锤防护
中图分类号：TV672文献标识码： A 文章编号：
远距离大口径压力输水工程的特点
远距离大口径压力输水工程是城市供水系统中的一个重要组成部分,由于是压力输水，管道敷设受地形条件限制较小，管道可以穿越河流、铁路、 公路等障碍物将水输送至目的地，工程应用较广。其主要特点是管线长、规模大、高扬程、多级提升、沿线地形复杂、投资费用大、水锤威胁较为严重、安全稳定性要求高。其建设和运营需要投入大量的资金和消耗大量能源，施工周期长，因此对其设计要点进行必要的分析和探讨，无论从社会效益，还是从经济效益上讲都是很有必要的。
管道走向的确定
管道走向的选择，是确定设计方案的关键所在，决定了整个设计的合理性、工程的造价及施工的难易程度。由于管线距离长、建设时影响范围大，管道定线是一项复杂、细致的工作，涉及到许多政府部门、企业和个人，工程前期应进行大量的现场调研及协调工作，使得走向方案具备可实施性，以免造成工程实施过程中的频繁改线，不但无法保证工期，也增加了工程造价。通过相关输水工程的设计和施工配合工作，总结出以下几点选线原则。
(1)符合城市总体规划及管道规划布局要求,布置管线时尽量缩短管线,但不一定最短就最好,要综合考虑。
(2)应尽可能减小与各种障碍物及其他工程的相互影响，如遇河流、铁路、公路以及地质条件不利的地段则需进行防护。
(3)尽量避免拆迁建筑物和占用农田，以降低工程投资。
(4)布线时水力条件好，管理方便，电耗低。
(5)管线应尽量沿现状或规划道路埋设，以便于将来维护管理(抢修、放水)。
(6)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。
(7)在方案設计阶段应将施工因素充分考虑到,保证设计的合理性。
从上述原则可以看出，选线时应本着技术上安全可靠、节约能耗、降低投资、便于施工和运营维护的原则出发, 并根据技术条件，综合考虑，多方案比较，以求达到合理。
管材的比选
在远距离压力输水工程中管道占投资的比重较大，因此管材的比选对节省投资、方便施工、安全运行意义很大。目前我国生产使用的适用于大口径承压输水的管材主要有钢管（SP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢夹砂管（RPMP）和球墨铸铁管（DIP）。因此，将围绕上述四种管材就以下几个方面做技术经济比选。
工程力学性能
钢管适用性最强，由于其环向强度、弹性模量较高，可承受较高的内水压力和管顶外荷，所以能适应各种地质条件，一般情况下不需做管道基础处理；球墨铸铁管承受外压的能力比钢管差，道路以下埋深相对较浅时应做加固处理，球墨铸铁管为柔性接口，抗震性能高，管道转弯处需设支墩，以防接口脱落；预应力钢筒混凝土管为半柔性接口，要求管道基础变形不应过大，在砂夹石的管基上应作砂垫层，在松软黏土层上应做砂夹石过渡层，使管道敷设过程中减少产生集中应力，承受内外压的能力较强,；玻璃钢夹砂管为薄壁弹性管，承受外压的能力较弱，其环刚度为主要控制指标。一般埋地管环刚度采用5000～7500N/m，特殊地段（穿越公路等）需采用10000N/m。相对而言玻璃钢夹砂管壁薄，为柔性接口，对基础与回填要求较高。
水力条件
大口径输水管由于其流量大、距离长，输水能耗较大,在保证输水的安全可靠的前提下，应优先选择水力条件好的管材,以节约运行成本。管壁粗糙度对减小水流阻力，降低水头损失有着重要作用。钢管和球墨铸铁管的管壁粗糙系数n值为0.013,预应力钢筒混凝土管的管壁粗糙系数n值为0.011,玻璃钢夹砂管的管壁粗糙系数n值为0.009。可见玻璃钢夹砂管水力条件最好。
耐腐蚀性及维护
钢管内外壁需做除锈和防腐处理，除锈和防腐层的质量好坏，对使用年限有较大影响，长距离输水管线还可辅以电化学保护，以延长其使用寿命；球墨铸铁管具有良好的防腐性能，内防腐采用水泥砂浆衬里，外防腐采用喷锌和煤沥青防腐漆；预应力钢筒混凝土管和玻璃钢夹砂管耐腐蚀性能好，不需做内外壁防腐层。
接口形式及可靠性
钢管接口采用焊接，焊接质量达到规范要求的情况下，不会发生渗漏；球墨铸铁管密封性好，为柔性接口，抗震性能高，但大口径球墨铸铁管管壁较薄，承插口端容易变形，影响管道敷设；大口径预应力钢筒混凝土管采用承插口连接，双 O 形橡胶圈止水，密封性能高，接口带有试压孔，安装后可每个接头逐一试压；玻璃钢夹砂管接口一般为承插口橡胶圈止水柔性接口，抗震性能较好。
综合比选
管材的选择一般要根据工程的规模，管道的工作压力，各种管材的特点，口径适应范围、造价、施工条件、管道制造供货等方面综合考虑，合理地选择管材。每项工程都具有自身的特殊性 ,因此管材选用须有较强的针对性，同一工程中根据沿线不同的情况可选用不同的管材。
经济管径的确定
经济管径的确定,对输水工程的合理性和工程总造价的控制至关重要。在确定了设计方案和管材后, 可确定经济管径。经济管径分析计算的方法种类很多，根据我院的工程实践，目前常采用最低成本法，即总投资现值比较法，计算确定经济管径,具体原则如下：
（1）总投资现值＝年经营成本换算为现值+投资现值，即Pw＝A（P/A，ⅰ，n）+P
式中：
P――投资现值，即管道铺设总费用（万元）；
A――年经营成本，以运行电费计（万元/年）。
（2）收益率ⅰ取8％，计算年限n取20年。
（3）管道铺设总费用，包括管材费、制作费、运输费、内外壁防腐费（指钢管）、施工费和绿化赔偿费等。
（4）水量按管段的折扣水量计算。
（5）运行电耗计算，采用最高日、平均日、最低日水量分段计算，以尽量反映实际运行电耗。
（6）水量的计算原则考虑供水水量的逐步增加，建成后前10年按总规模的80％，后10年按总规模的100％考虑。
管道水锤防护措施
远距离压力输水工程由于管线长、压力高、流量大，管中流速一般较大，容易发生水锤事故。结合相关工程的实际情况，可能造成输水管线破坏的主要原因是停泵水锤和关阀水锤，其主要特点是管道内产生瞬变流，压力急剧变化且延续时间长。工程设计时，可根据水力计算和水锤模拟的结果采取相应保护措施，主要采用以下几种方式防止水锤。
（1）采用水力控制阀，一种采用液压装置控制开关的阀门，一般安装于水泵出口，该阀利用机泵出口与管网的压力差实现自动启闭，阀门上一般装有活塞缸或膜片室控制阀板启闭速度，通过缓闭来减小停泵水锤冲击，从而有效消除水锤。
（2）设置空气阀
根据水锤模拟结果，当管道内产生瞬变流时，为防止管道内某些部位因为水柱的分离和弥合出现压力的急剧变化，在这些部位需设置防水锤空气阀。该种空气阀在负压工况下，会快速地打开进气，以保护管线不受负压的影响和破坏；当水柱弥合时，排出空气并限制排气速度，延长水柱弥合时间，从而降低震动，消灭水锤。工程设计时，空气阀除按照计算位置设置外，在管线驼峰处、长上、下坡管段处，长水平管段处也需布置。
（3）超压泄压阀
根据管路系统的工作压力自动启闭，当管道内压力超过泄压阀设定压力时，自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下。直径可取输水管道直径的1/5-1/4。
（4）单向调压塔
单向调压塔是防止产生负压（水柱分离）和消减断流弥合水锤过高升压的经济有效、稳妥可靠的停泵水锤防护措施与设备，设置于输水干线上容易产生负压和水柱分离的诸主要特异点处（如主要峰点、膝部折点、驼峰以及鱼背等处）。
设计时通过综合采用各种水锤防护措施的优点，使水锤防护系统有效地分布于整个输水管线工程中，可有效提高管道运行的安全可靠性。
结语
远距离输水管线工程在供水系统中占有相当重要的地位，设计不合理容易引起工程事故，造成重大损失。因此如何制定技术可行、经济合理、安全可靠的设计方案，是摆在工程设计人员面前的重要课题。本文通过对该类工程设计要点的介绍，希望能对相似工程的设计提供一些帮助.