长距离输水工程有关技术问题的探讨

陈涌城
中国市政长程华北设计研究院
天津市河西区气象台路99号 邮政编码 300074

　　提要：概述华北院承担在建长距离输水工程实例，论述长距离输水工程管材的选择，水锤的防护技术与安全措施，经济流速的计算与经济管径的确定方法。

　　华北设计院自78年以来承担和参加国内大型长距离输水工程累积18项之多，如天津市“引滦入津”工程，大连市“引碧入连”工程，石家庄引岗黄水库水工程等等，目前正在设计或正在施工中尚有8项，列表如下：

长距离输水工程在建项目表 序号 工程名称 工程简介 工程进展情况 1 邯郸市“岳济邯”工程（二期） 岳城水库至铁西水厂，管道总长56km（重力流），规模10万m3/d，工压0.4-0.5Mpa，采用DN1200预应力混凝土管长36km，DN1400预应力混凝土管20km。输水线路走向同一期 施工图设计阶段 2 长治市辛安引水工程（二期） 辛安水源至长治水厂输水规模8.64万m3/d(lm3/s)，采用DN1000钢管，δ=10mm，工压1.8Mpa，L=12km；DN1000预应力混凝土管，工压0.6Mpa，L=12km；DN900预应力混凝土管，工压0.6Mpa，L=12.17km 正在进行管材与施工队伍的招投标。 3 衡水市“引湖入衡”工程 衡水湖至衡水市水厂，规模10万m3/d，工压0.4Mpa，采用2根DN800预应力混凝土管，管长L=9.8km(其中穿越河道采用钢管) 取水工程正在施工，取水管道已敷设6km。 4 呼和浩特市引黄供水工程 黄河浦滩拐至金河水厂，总长82.16km1）二道洼水库上段，规模40万m3/d，采用二根DN1600球墨铸铁管，长2.73km，工压0.8Mpa；采用DN2000PCCP管（预应力钢套筒混凝土管），长62.96km，工压0.6Mpa。2）二道洼水库下段（重力流），规模20万m3/d，采用二根DN2000预应力混凝土管，工压0.4Mpa，长16.47km。 取水泵站正在建设，二根球墨铸铁管敷设完毕，PCCP管与PCP管正在施工。 5 温州珊溪水库枢纽供水工程 1）陈岙泵站至浦东隧洞，规模34.1万m3/d，工压0.6Mpa，采用DN1800钢管，δ=16mm，长12km（西线）2）陈岙泵站至状元水厂，规模39.6万m3/d，工压0.6Mpa，采用DN2000钢管，δ=18mm，长22km（东线） 陈岙泵站建完，西线工程开始，东线管道施工图设计完成。 6 唐山市陡河水库供水工程 陡河水库至唐山市水厂1）近期规模15万m3/d，采用DN1400预应力混凝土管，工压0.6Mpa，管道长18.68km。2）远期规模10万m3/d，工压0.6Mpa，采用DN1200预应力混凝土管，管道长18.68km。 施工图设计阶段 7 大连庄河市朱隈水库供水工程 朱隈水库至水厂（重力流）规模10万m3/d，工压0.4Mpa，采用二根DN1000预应力混凝土管，管道长16km。 计划开工

　　在华北院承担18项长距离输水工程中，其中有7项属重力流输水，11项属压力流输水。从节约能源的角度考虑，有条件的情况下，采用重力流的形式是合理的。长距离输水工程的输水方式较多，天津市“引滦入津”工程比较典型，该工程几乎包括了长距离输水各种型式和内容。“引滦入津”工程长234km（自大黑汀水库至天津市内）。工程包括开挖长11.38km规模60m3/s的隧洞；利用并整治加固57.6km的天然河道-黎河，利用加固已有的库容15.59亿m3的于桥水库，利用整治56.0km卅河；开挖规模50m3/s长44km与规模30m3/s长26km专用输水明渠；新建4500万m3尔王庄调蓄水库；新建规模20m3/s长26km二孔断面为3.35m×3.35m的砼暗渠；敷设规模110万m3/d管径DN2500长10.67km和规模55万m3/dDN1800长3.67km的钢管；新建50万m3/d新开河水厂。

一、长距离输水工程管材的选择

　　在长距离输水工程中，管材的选择一般要根据工程的规模，管道的工作压力，输水距离的长短，工程的进度与重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地质情况，当地管材的生产状况，应用管材的习惯，特别是工程的资金的落实情况，而后进行技术、经济、安全等方面论证综合比较后确定。
　　我国地域广阔，各地区的地形地质自然状况不一样，经济形势与应用管材的历史状况也不一样，而每项工程又都具有自己的特殊性，因此长距离输水工程管材的应用也是多种多样的。某一种管材在一个地方、一个工程被选用，其经济技术方面的合理性，而在另一个地方、另一个工程就不一定合理，这就形成市场经济的今天，出现各种不同管材的竞争原因之一。
　　根据我们参加长距离输水工程设计经验，特别这几年我国引进大量的新型管材和新的生产工艺，管材的优化尤为重要。目前长距离输水工程大都在钢管、球墨铸铁管、予应力砼管与予应力钢筒砼管、玻璃钢管等方面选择。

二、长距离输水工程水锤的防护技术与安全措施

　　凡是有泵及压力管道的地方就会有水锤，因此水锤是长距离输水工程的一个重要的技术问题，也是造成工程事故的一个主要原因。
　　对泵站及管路系统的水锤问题是国内外研究与防护的重要内容。长距离输水采用压力流输水时，在泵站系统为防止水锤的危害，一般采用调压井(双向、单向)，水锤消除器、液控蝶阀、缓闭止回阀、旁通管泄压等形式。另一方面长距离输水管道较长，起动水泵时引起水锤造成管道破坏的现象也较多。因此大都要进行认真的分析研究，呼和浩特引黄工程在设计阶段就聘请有经验部门对水泵不同的工况进行水锤分析计算和研究，一方面解决设计中的问题，同时也对将来的运行提出要求。
　　长距离输水工程中应充分的认识到水柱弥合水锤的危害。在长距离输水管道中，流速变化是经常出现的，管道中水流速度变化时，致使管道中水压力的升高或降低，在压力低于水的气化压力时，水柱就被拉断，出现断流空腔，在空腔处的水流弥合时将产生强烈的撞击，管道中的水升压，则就形成断流弥合水锤，弥合水锤升值很大，在实验装置观测到的竟达到工作压力的2-4倍，因此其对输水安全性的危害很大。
　　水在输水管道运行时，实际上是水气两相流。因此在长距离输水管道设计时，应依据输水管道的纵向布置，分析研究计算可能出现的不同工况下水的流动状态，选择合适的位置(一般在驼峰处)布置一定数量的排气阀，在管线的水平段，排气的问题更突出，因此在设计时一般人维的把管线布置成一个高点，设置排气阀，而且水平距段根据经验一般在600m～1000m设置一处。另外排气阀的选择也很重要，因为管道中运行时，水在管道中的状态很复杂。根据国外水锤研究者提供气水两相流可分为六种流态，即层状流、波状层、段塞流、气团流、泡沫流、环状流，由于水流流态的复杂性，也就产生了排气的困难，因此除了确定排气阀的合理数量，合适位置，对排气阀种类与性能也应充分重视。
　　近年来为保证输水安全，特别是防止水柱弥合水锤过压产生的危害，在输水管道中适当的设置超压泄压阀(也称为压力波动予止阀)效果较好。
　　长距离输水工程中在工艺设计时，采用安全、合理、经济的水锤防护措施，效果较好，但不能做到全部去除，因此在管道的结构设计中也有所考虑。我国的给水排水管道结构设计规范(报批稿)中已明确，管道的设计内压力为管道工作压力的1.4～1.5倍。主要解决管道的试压与管道产生的残余水锤的危害。保证输水工程的安全。

三、经济流速与经济管径的选择

　　长距离输水工程经济管径的确定，关系着输水工程的合理性和工程的总造价。在经过技术方案的论证、优化选择了最佳方案后，尚要进行管材的论证比较，然后再进行经济流速的计算，确定经济管径。
　　经济流速的计算方法种类很多，各国都有不同的计算方法。一般讲有采用公式直接计算的，有采用基建投资+20年电费(有的也采用10年电费)进行计算比较的。改革开放以来，我们与国外接触交流频繁，引进了较为流行的动态法。动态法种类也有不同的形式，目前我们在亚行、世行、日元贷款项目中应用年值法与净现法较多。
　　(1) 年值法
　　公式：
　　A=1.4Q·H·S+[(1+i)ⁿ·i/(1+i)^N-1]·C
　　A：管线年成本(元/米·年)
　　Q：管线流量(立米/日)
　　H：每1米长管线水头损失(米/米)
　　S：电费单价(元/度)
　　i：投资收益率(%)，我国一般取6～10%。
　　N：计算年限 N值一般取20年
　　C：单位长度管道综合投资（元/米）
　　利用亚行贷款项目在进行输水管道的经济流速计算，确定经济管径时一般采用该公式，为了能较好的反映电费的变动，并对年电费的数值取影子电费，这样可更切合工程的实际状况。
　　(2) 净现值法
　　W=C+[(1+i)^N·i/(1+i)^N-1]·A
　　W：费用总值（元）
　　C：管道初期建设投资(元)
　　A：年经营费（元），即电费、折旧费、大修费总和
　　N：计算年限，N值一般可取20年
　　i：投资收益率，我国一般取6-10%。
　　由于经济的发展，我国各个地区用水量都普遍的增加，而另一方面，由于经济发展和人类的活动、环境的污染也渐严重，很多地区附近的水不能应用（如温州市），这样就使长距离输水工程近些年来发展很快，长距离输水工程的许多技术问题都有待更深入的研究和提高，上述几方面的仅为几个部分，还有一些设计、施工、运行管理方面的问题应加强研究。