长距离输水工程设计中的几个问题

出　　自： 《中国给水排水》 1985年第1期第29页
发表时间： ： 1985-1

戴之荷 金善功 贺梅棣

( 中国市政工程西北设计院)

摘要：本文在总结长距离输水工程设计实践的基础上，通过一定的理论分析，着重对长距离输水工程设计中的选线原则、方案选择、管线设计、设备选用、埋深计算、调节水池选用、各类闸门的安装等提出某些看法，并对长距离输水系统供水保证率计算等作了论述。

PROBLEMS IN THE DESIGN OF LONG DISTANCE WATER TRANSPORTATION Dai Zhihe； Jin Shangong；He Meidi (China Northwest Municipal Engineering Design Institute)
Abstract
Based on the practical designing experiences and theoretical analysis; the point of views concerning pipe- line selection and designing,devices and reservoir selection, computation of burying depth,valves installation etc.,and also the calculation relating the safety factor of long distance water transportation are advanced in this article.

一、前言

随着国民经济的发展，对水的需求量日益增加。某些地区由于就近缺乏水源，必须采用长距离输水方式来解决用水问题。
长距离输水，管线长、地形复杂、具有一定的特殊技术问题。设计人员要根据各工程的具体情况，进行妥善的处理。
本文在总结长距离输水工程设计实践的基础上，通过一定的理论分析，着重对长距离输水工程设计中的选线原则、方案选择、管线设计、设备选用、埋深计算，调节水池选用、各类闸门的安装和长距离输水系统供水保证率计算等方面作一论述。

二、选线原则:

输水管线的设计，必须以供水安全可靠、工程造价低、节省能源、便于施工和有利维护管理为原则。尤其对地形复杂的长距离输水工程，合理选线更有重要的经济意义。其选线原则是:
(一)管线应尽量短，并力求利用地形条件采用重力流输水。通过技术经济比较使所定管线为最经济合理。
(二)输水管线应尽量避免与各种障碍物交叉；如山谷、河流、铁路、公路、以及地质条件不利的地段。
(三)在矿区内选线时，应模清地下矿藏分布情况，对采空区和坍方区不得敷设永久性管线。
(四)为防止土壤对金属管道的腐蚀，管道应避免通过土壤腐蚀性大、导电率高的地段或沼泽地段，在城市或工矿区选线时，要避免杂散电流的影响。
(五)在山区或丘陵区选线时，应尽量将输水管线沿已建的公路一侧埋设，并力求减少土石方量。
(六)对纯岩石地区的管线，考虑到管沟需用爆破施工，其线路必须保证与附近高压供电线、铁路或居住区有一定的安全距离。
(七)山区长距离输水选线，还应考虑开挖与回填的土方量平衡，避免远距离运送土方，在岩石地区施工时，要考虑到沿线就近取土回填的可能。
(八)选择线路应尽量不占或少占良田。

三、方案选择

长距离输水按其输水方法可分为压力流输水与重力流输水两大类，而在重力流输水中又可根据管内水流的特点分成无压自流式和承压满管流两种。在地形复杂的情况下有时可分段采用以上两种方式。
(一)重力流输水系统
水源地势高于用水地点，而两处地形高差足以克服输水管线的水头损失，又能保证用户用水压力要求时，可根据地形、地质等自然条件，由水源全部或部分用重力流输水至用水点。在不能自流的地段，可采用承压流送水。这种供水方式投资和运转管理费用最省，是比较理想的供水方式。
(二)压力流输水系统:
对于水源地势低于用水地点，应根据地形高差、管线长度、管材的承压能力及设备动力情况，沿管线设置不同数量的中途加压泵站，用压力流输水至用水点。
在长距离压力流输水设计中，本着安全、节约、便于施工和有利维护管理的原则，中途加压泵站的级数应尽量减少。
加压泵站之间的内部系统，目前大多采用吸水池中断压力后，再用水泵提升的形式。吸水池容积主要考虑前后两级加压泵站在运转中的流量调节因素。这种形式运转可靠，管理方便，但水池之输水管末端的余压未能充分利用，浪费了能量。在长距离输水设计中，若取消各加压泵站的吸水池，利用管道直接连接相邻两级泵站的进出水管，只要控制好各级泵站的启动时间，运转同样可靠。我院设计的某长距离输水工程，采用直接串联加压形式，现已有十五年运转历史，情况良好。
对于山区，矿区或新建城市，往往交通不便，供电、供热、供应生活用品等条件比较困难。有的山区夏季交通受洪水威胁，冬季经常大雪封山，给泵站的运行和维护管理带来极大的困难。在这种情况下，长距离输水管线沿途应尽量不设或少设泵站，采用高压输水系统更为合理。例如某矿区给水位于山区，水源地距四十多公里，高差大，地形复杂，沿途设泵站的条件困难，采用高压输水方案。输水管设计最大工作压力达47公斤/厘米 2 。设计中采用了高压自动复位水锤消除器；高压排进气阀。
该工程于1978年正式投产，做到了一次试水成功。五年来的实际运转表明，整个供水系统情况良好。

四、管道设备的设计与选用

(一)高压自动复位水锤消除器的设计与选用
目前，国内所生产的水锤消除器，就其工作性能分析，只适用于工作压力25公斤/厘米 2 以下的管道。而对高压给水系统，尤其对长距离输水，由于管道的始、终点地形高差大，水头损失多。当水锤突然发生时，其水锤波的最低压力，仍会保持着较高的正压值。因此，只要求在负压或较低压力才能启动的现行重锤式水锤消除装置，在这里已不宜使用。
高压自动复位水锤消除器是当给水系统突然停电，管内高压水锤正压波值返回前的瞬间，利用在逆止阀前后出现的压差，破坏了消除器保持常闭状态的平衡条件，在压差作用下推动阀体内的活塞上移，接通泄水管，泄水降压达到水锤防护目的。同时，考虑山区长距离输水维护管理的不便，在该系统上安装自动调节复位器。复位器可调节在一定压力作用下，阀门自动开启。随着管内压力的逐渐回升，压力水又开始向消除器的上、下部空间回流充水。当活塞面上的压差达到一定值时，活塞又开始向下推移，关闭泄水管，消除器恢复到原来的常闭平衡状态。
高压自动复位水锤消除器，在某山区长距离输水管线安装使用，经过性能鉴定，证明动作灵活。在实际运转中虽然发生过几次突然停电，但未发生水锤事故，保护了管线正常运行。该设备在管道上的安装见图1

(二)高压排进气阀设计与选用:
长距离输水，往往沿线地形较复杂，管线的坡度起伏变化大。实践证明，合理的设计与安装排进气阀，对保护管线正常输水极为重要。
分析现有排气阀装置的工作性能；当阀体内充满有压水使浮体封闭排气管时，若作用在浮体本身排气孔轴向由气压造成的垂直压差，超过浮体本身的自重，这时，虽在阀体内充满积气，但浮体不能随水面下降，积气无法排除。
为解决这种矛盾，国外采用结构较复杂的杠杆传动装置，借助较大的力矩比，使其动作灵活可靠。这种设备虽然较轻便，但其适应的工作压力仍较低。我院本着结构简单，动作灵活，适用高压系统的原则，在某长距离输水工程中，设计使用了一种高压自动排进气装置。其工作原理为:
1.阀内浮体自重应小于浮体本身的浮力，从而保证当管线正常运行时，排进气阀处于常闭状态。
2.排进气孔的选定，应根据在阀体内充满积气后，水面下降时，浮体借自重能克服此时所受的轴向垂直压差而下移，并能保证一定的排进气强度。
3.根据长距离高压管线各设计管段的压力，能调整排进气阀浮体的自重。
为满足上述的几点要求，高压自动排进气阀中，浮体的设计条件式应为:

五、管道埋深的计算与确定

在长距离输水中，管道的工程量和投资，都占有较大的比重。而管道埋深又与工程造价直接有关。尤其在我国北方山区，该问题更应引起重视。
目前，对给水管道埋深的计算，仍是以埋设深度大于当地土壤最大冻结深度。但该方法缺乏足够的理论依据。
我院对各种土壤的冻结深度和不同埋深的动静水给水管道进行了连续冻结实验。对土壤冻结深度的计算方法、管道埋深的确定，提出了不同的论点。对由水流作用下，在管壁四周产生不冻层的计算理论，给水管道冻结时间和埋深的关系等进行了全面分析。实际观测结果表明，由于现行方法从非热平衡条件出发，并忽略了埋深、不冻层厚度和冻结时间的相互关系，其计算值与实测值的误差较大。
此外，对长距离输水埋深的计算，还要考虑在已确定的供水保证率前提下，允许停水时间和管道冻结历时的关系等因素。
以H代表长距离输水管道埋深；h代表当地土壤的最大冻结深度；T W 、T A 代表管内水温和地区最低气温；λ 0 、λ i 代表自然土壤和冻结土壤的热传导系数；D 1 、D 2 代表管径和不冻层直径；n代表土壤含水率；r代表土壤容重；K、ζ为计算系数。则管道埋深计算公式为:
H=K·(1-β)·h


t A :为冬季日平均最低温度(度)，可由各地气象资料中查得。
如上所述，当其它条件已定时，管道埋深直接与冻结时间有关。而在长距离输水设计中，为满足一定的设计保证率，有一个相对应的设计允许断水时间(t)，但只要能满足条件:
t可以认为，这样确定的管道埋深是经济合理的，在实际工程中，也可根据当地的已有资料，求出Σ-T m 、K 1 值，利用已绘制的给水管道埋深计算图表(见图3)直接查出相应的埋深H值。

本计算方法在我院所设计的某长距离输水工程中应用后，所确定的管道埋深，比用现行方法计算减少20～25%。

六、几个技术问题

(一)长距离输水管线根数与供水保证率:
长距离输水系统的供水保证率计算，是个新课题，它与输水管线根数；单管输水能力；各条管线之间连通管根数；设计管段事故检修和恢复供水的时间等因素有关。据有关资料分析，对长距离输水系统而言，出现断水事故机遇(Λ)，与输水管根数(N)，中间连通管数目(n)，检修恢复供水时间(t)，和各分段检修管的事故次数(λ 1 )的关系，可用下式表示:

不言而喻，上式时间因素t值的大小，应该是和在一定供水保证率前提下的允许断水时间相一致的。
对整个长距离输水系统的供水保证率计算表明；如果我们把输水管线出现的断水事故，或对该事故的检修恢复供水历时作为变量，其输水系统的供水保证率计算式为:
ρ=e At (%)。
在一般情况下，对长距离输水工程而言，事故断水后，检修和恢复供水时间可选用下表数值:

输水管线根数的选择，应视管道输水能力；近远期的供水量规划；线路长度；施工条件及备用水源情况等因素，经综合经济比较确定。
实践证明、长距离输水中，一般采用单管线输水方式，但为保证安全供水，满足设计供水保证率的要求，一般采用建安全调节水池的措施，其调节水池的最小容积为:
W=αQ 0 t(米 3 )
式中:α——允许事故供水流量减少系数；对生活用水α为0.7～0.75；对生产用水α应视工艺要求而定。
Q 0 ——设计流量；
t——由供水保证率所决定的允许断水时间。
此外，在单线长距离高压输水系统中，由于水锤的威胁较为严重，为提高输水系统的供水保证率，在长距离输水管线的局部水力条件不利管段上，采用增设局部环状复线。
(二)长距离输水管线各类闸阀的安装:
对于长距离输水管线上的闸阀，如排气阀、进气阀、泄水阀和干线闸阀的安设位置，国内外看法不一。我们的看法是；各类管线闸阀的安装位置，应根据管线长度、地形变化情况、管径大小等因素而定，更主要的还应与已选定供水保证率所限制的允许断水时间内所确定的各检修管段的长度相适应。
对于常见的单管长距离输水管线，其检修管段长度，一般不大于3公里。在山区长距离输水工程设计中，地形起伏多，当在相邻两处高地的距离接近于检修管段长度时，在其间仍有一些局部较小的起伏，但仍在检修段的两端安装闸门。并于闸门两侧分别安装排进气阀。而在其最低处安装泄水阀门。
对于地势比较平缓的长距离输水管线，则应在检修管段的始终端，分别将排进气阀、泄水阀和管线闸门安装在同一节点闸门井(室)内。
为在长距离输水管线上削弱水锤的威胁，可在一定的距离上用单向阀来代替管线闸门。
(三)长距离输水系统中调节池的选用:
调节池在长距离输水系统中起着非常重要的作用；它不仅能调节水量，起到安全水池的效应，同时也能起到调压水池的作用。在长距离输水工程设计中，必须合理地选用。
在实际工程中，可采用调压水池与安全水池合建的形式。
对于重力流输水系统，利用调节水池，对管道压力线的控制与划分，提出以下看法:
1.充分利用地形高差，用调节水池分段输水，在允许流速范围内，减小管径。
2.尽可能减少管道的动、静水压差。
3.水池的位置应保证防止管道水压坡降线与管线的交叉，避免负压管段出现。
4.在系统中，必须保证(下转37页)(上接33页)多水池间的水位平衡与稳定。
(四)长距离输水管线穿越设施的选用:
由于地形条件的限制，长距离输水管线经常会遇到一些障碍地段。例如:河溪、沟谷、独山、山口、山嘴、路面等。对此，在无法绕过避开的情况下，必须采取局部管道的穿越措施。
输水管线必须越过河溪、洪沟时，首先应考虑利用已有跨越构筑物的可能，如已建的桥梁、堤坝、路基等，必须新建管线跨越设施时，应根据河道断面特点，水文地质情况和施工条件等因素而定。
一般说来，对于水位较浅，跨度较大而且冲刷不严重的平缓稳定河谷，宜采用倒虹管穿越。同时，应在河谷主流段的管顶，加设局部防冲刷加固措施。
对于山区内的涧溪沟谷，要根据不同的情况，采取各种跨越措施。
当管线穿过沟面狭窄，沟底深陡，且洪水威胁较大而平时泄流较多的洪沟时，采用悬索管桥跨越形式，当管线穿过沟面较开阔，平时泄流不大，洪水威胁较小的洪沟时，则采用沟面设立柱加斜吊杆的管桥跨越形式。
当输水管线遇到独山、山脊或山嘴时，应从远处以较小的转角绕过。有时，为缩短管线长度，要直行穿过时，可选择最近距离两点间开挖隧洞。同时，应处理好洞内保温防冻防坍落石方，和泄空检修等措施。
从长距离输水工程实际运转情况分析，以上的各种局部管段，是在运行中容易发生事故的地方，因此，设计中对于这些局部管段的安全防护措施，如:管道保温处理；防洪水冲刷措施；防温差作用管道伸缩问题的处理；以及防止外部机械性损伤等技术措施。都应予以重视和妥善解决。