浅谈长距离管道输水工程设计
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摘要：长距离输水管道目前已在城市供水，农灌泵站等领域中广泛采用，而输水管道设计合理与否，将对工程投资、施工、运行管理等方面产生很大影响。本文对长距离管道输水工程中管材的选择、输水管道的数量、通气及输水管道的粗糙系数n值选取等技术问题，进行了探讨。
关键词：长距离管道输水；管材管道；选择
1长距离输水管道管材的选择
合理选择管材对长距离输水工程十分重要。不仅是输水管道安全运行的关键，而且还决定工程造价的高低。管材选择应根据管径、内压、外部荷载，管道敷设区的地形、地质、管材的供应，按照施工方便、运行安全、经济合理的原则确定。在城市长距离输水工程中，管道直径大都在1m以上，管道输水工程常用的管材有球墨铸铁管、钢管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管、玻璃钢复合管道。
1.1大口径球墨铸铁管
大口径球墨铸铁管用于国内输水工程已有10a时间，在生产、使用过程中已经积累了一定经验。球墨铸铁管的特点是强度高韧性大、耐腐蚀能力强，并且接口采用“T”型接头，施工安装方便，有很强的适应地基变形和抗震能力，但价格较贵。
1.2钢管
钢管应用历史悠久，范围广，是一种常用的安全管材。优点是适应性强，加工灵活方便，可承受较高的内压。缺点是不宜承受较大的外荷载，一般超过4m时，就要考虑加固处理。另外，钢管防腐麻烦，总造价高，一旦防腐处理不当，将直接影响其使用寿命和输水能力。钢管还应根据工程的具体情况考虑伸缩节等措施，以保证输水安全。
1.3预应力钢筋混凝土管
预应力钢筋混凝土管在我国应用较为广泛。一度成为长距离输水工程的主要管材。其特点是工程总造价低，抗震性能及水力条件好，不需做防腐处理，是一种适合长距离重力流输水的经济管材。其缺点是笨重、运输及施工不方便。由于工艺原因存在空鼓或出现承口圆形不规则等，易引起渗漏。
1.4预应力钢筒混凝土管
预应力钢筒混凝土管不仅具备预应力钢筋混凝土管及钢管的双重优点，而且弥补了各自的不足之处。其接口为特制承插口，尺寸精度高、密封性好。预应力钢筒混凝土管用钢量为一般同径钢管的30%，价格比钢管便宜，并且内壁光滑，粗糟系数较小，水流条件好。
1.5玻璃钢复合管
玻璃钢复合管道重量较清，强度高，水力特性极好（粗糙系数n值一般在0.008～0.01之间），耐腐蚀性能强，不需做专门防腐处理，运输安装方便，但价格偏高。从安全可靠性考虑，根据比选及经验，管材质量应作为第一因素，钢管（在保证施工质量，特别是防腐质量的条件下）及球墨铸铁管都具有很高的安全可靠性；从管材价格考虑，预应力钢筋混凝土管优于其他4种管材。以上5种管材，各有优缺点。
长距离管道输水的压力一般不太高，大都在0.6MP以下。只要能保证管道的制造安装质量，结合目前国情及建设单位的财力，从安全可靠性和综合造价考虑，预应力钢筒混凝土管可作为长距离管道输水工程管材的首选。
2长距离输水管道的数量
为保证安全供水，设计规范要求输水干管不宜少于2条，当有安全贮水池或其他安全供水措施时，也可修建一条输水干管。输水干管和连通管的管径及连通管根数，应按输水干管任何一段发生故障时仍能通过事故用水量来计算确定，城镇的事故水量为设计水量的70％。
长距离输水工程一般都是双管（等径管或管径相差较小的管道）输水。当任何管段发生故障时，仍可以保证输送设计流量70%的水量。在双管输水管上，每隔一定距离设置连通管一处，以便发生管道事故时检修。每根管道的设计流量为总输水流量的50%。设置连通管时，连通管之间的距离相近，这样在管段出现故障时，影响输水能力最小。考虑到不同工程的具体情况，在布置连通管线的位置时，连通管的间距为3～4.5km。
为了保证单管输水的事故水量，提高供水安全性，增加安全水池是必需的。单管输水的设计流量是按最高日供水量设计的，而安全水池主要是调节管道事故流量的构筑物，其容积设计时就不必按最高日供水量设计，仅考虑管道出现故障时，由安全水池供应的事故水量即可。水池容积一般根据管道的尺寸、管材种类、工程所在地的交通及气候条件、管理部门抢修管道的能力等条件确定。安全水池的位置根据工程的具体情况既可以设在水厂附近，也可设在管道的末端。
3长距离输水管道的通气
长距离输水管线能否正常运行，管线上设置排气阀是极为重要的。在长长的输水管道中积聚着气体，这些气体需要通过排气阀迅速排除，否则将减少过水断面，产生气阻，影响管道的输水能力。当向管道进水时，管内气体排出越快，进水速度也越快，如果进水水压过高，且管道排气不畅，往往会发生水锤事故。因此，需要在管道的每一个高点或易产生水柱拉断的地方安装通气阀，以便能排除管道内积存的气体，保证管道通水能力，防止水锤发生。在管道出现负压时及时向管道内吸入空气，在水柱相撞时起缓冲作用，以降低水锤压力，防止破坏管道接口或管道本身。
解决输水管道的通气问题，应依据输水管线的纵断图，在管线起伏段应视情况而增设通气阀，在输水管道隆起点上设通气阀。由于输水管道中水气两相流的流态复杂，除了合理的确定通气阀的数量及位置，对通气阀的种类与性能也要充分重视。实践证明，在管线上合理的设置优质通气阀，对保护管线正常运行极为重要。
4长距离输水管道粗糙系数n值
球墨铸铁管和钢管采用水泥砂浆内衬的粗糙系数与预应力钢筋混凝土管及预应力钢筒混凝土管是一致的。旧规范规定混凝土管的n值为0.013，新规范只给了n值的取值范围为0.011≤n≤0.04。管道水力计算一般情况下多采用曼宁公式。对于管道水力计算，n值的选取是关键。选择n值的大小，对短距离输水影响甚微，但对长距离输水的影响不可忽视。通过对几个设计n值取0.013使用预应力钢筋混凝土管的工程进行实测研究，求得n值均在0.012～0.0121之间（含局部损失）。如果用实测的n值，对所测工程进行复核，当管径和原设计水力坡降不变时，其输水能力增加占原设计水量的16%～17%，可见n值对长距离管道输水影响甚大。由于近来制管工艺和技术的进步，管壁的光滑程度愈来愈好。依据工程实践经验，如果输水工程采用上述4种管材，n值取0.012是比较符合工程实际的。
长距离管道输水工程涉及到设计方案、设计依据等许多技术问题，且与施工及运行管理有密切关系。近年来长距离输水工程愈来愈多，技术问题也愈来愈复杂，该领域已积累了一定的工程经验，随着今后更多长距离管道输水工程的实践，这方面的成功经验将更多，工程的设计、施工及运行管理等诸多方面将更加完善。
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