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输水管道设计中管径、管压的选择——以延安黄河引水工程为例

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：裴旭阳

[导读] 摘要：随着社会经济的不断进步，国家对于水资源开发建设也愈来愈重视。

        陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安 710001
        摘要：随着社会经济的不断进步，国家对于水资源开发建设也愈来愈重视。本文以延安黄河引水工程为例，对长距离输水管道设计中管径和管压的选择进行了计算和分析，为其它工程设计提供了参考。
        关键词：引水工程；管径；管压
        0引言
        随着社会经济的不断进步，国家对于水资源开发建设也愈来愈重视[1]。延安市是一个资源性缺水地区，人均占有水资源量仅463m2，为全陕西省人均水资源占有量的35%，全国人均水资源占有量的21%，属于陕西省严重的缺水地区[2]。
        随着国家西部大开发战略的部署和陕北能源、石油、天然气和化工基地建设，延安市城区、延长县、子长县、延川县、清涧县（榆林市）城各项建设事业正在快速发展，但是由于区域水资源匮乏，现有供水设施能力小，供水保证率低，缺水问题严重制约着这一区域的经济发展、社会进步乃至威胁居民的日常生活，迫切需要开辟新的水源，以适应新形势下经济发展和人民生活的用水需求[3][4]。为此，延安市水务局提出了从黄河和清涧河联合引水的战略性水源方案，以解决延安市及周边区县的长期供水水源问题。
        1工程概况
        延安黄河引水工程位于延安市东北部，是以黄河和清涧河为取水水源的长距离引水工程[5]。黄河取水口位于延川县延水关镇王家渠东南黄河右岸，清涧取水口位于延川县城北上湾大桥下游约50m处清涧河左岸[6]。引水线路共4条，分别为黄延线、子长线、延长线以及高清线。延安黄河引水工程的任务是为城镇生活及工业供水。供水对象为延安市城区（宝塔区）、延长县城、延川县城、延川县永坪镇、子长县城、清涧县城以及延安市姚店工业园区、延长县杨家湾媒盐气化工工业园、延川县贾家坪工业园、延长油矿永坪炼油厂、子长县煤化工工业园和清涧县红枣产业创业园，简称“一区四县一镇六工业园”。工程区广泛分布中生界陆相碎屑岩和新生界风积黄土及河流相冲积物，局部有第三系泥岩（红黏土）出露。引水管线地质勘查过程没有发现断层和褶皱构造，岩层倾向NW，倾角2°-5°。常见的NNW和NEE两组共轭高角度剪切节理比较发育，裂面平直，裂隙间距1-2m。
        2管径确定
        由于整个工程布置复杂。因此，对于不同的地形地质条件以及不同的设计流量，需要对各受水点以及沿线线路综合分析，并结合工程布置情况，最终确定管径。
        管径选择与经济流速、水头损失、水锤压力及水泵选型有关。管道流速是管径选择的重要条件，流速高，管径直径小，但水头损失大，泵站扬程高，能量消耗大，产生的水锤压力也高；流速低，需要管径直径大，但水头损失小，泵站扬程低，运行费用低。
        依照一般工程经验，长距离输水比较经济的流速为0.8-1.5m/s，根据本工程各段管线的设计流量，按经济流速推算，可使用的管径基本在DN800mm-DN1800mm，由于该骨干性工程管道几乎均为泵后出水管道，因此，管径的选取直接与泵站的运行费用相关，故本次管径的最终确定需根据泵站、管道投资以及年运行费用等多种因素综合确定。
        管径确定采用年费用计算时，电费按0.6元/度计算，折旧率按9%计算。以黄延线延水关二级泵站-柏树坬三级泵站输水管段为例，输水管线加压管道不同管径年费用部分计算表如表1所示。
        表1 管径比较表

        年耗电费用计算公式如下：
                                       (1)
        其中，E1表示年好电费，f表示电价，γ表示水的容重，Q表示管道设计流量，Hsy表示设计净扬程，T表示泵站年运行时间，ηsy表示泵站装置效率。
        年生产费用计算公式如下:
                          (2)
        其中，E2表示年生产费用，γ表示水的容重，α表示年折旧率，f2表示管材单价，D表示管径，δ表示管道壁厚，L表示管长，n表示管道根数。
        管径选取还采用了总投资法进行了复核，即计算20年泵站运行电费以及管道总投，两者之和为20年的总费用，总费用最小值对应的管径即为最优经济管径。
        3管压确定
        本工程点多、线长、面广。工程分布区域地质条件差异大，管线穿越地形条件变化大，管压的确定应根据不同建筑物的衔接，分段计算确定。各管段设计压力为最大使用压力（包含水锤压力）再加一定的安全余度。另外，考虑设备采购、施工控制和以后的运用管理维护等各种因素，管道压力等级不宜过多，针对不同管段的管材，管材不一样，确定的压力段应有所区别。
        由于本工程大部分段落均为泵站加压流，故管道压力确定主要由水锤压力及水力过渡分析计算两个方面综合确定。
        铸铁管承担中高压管段，压力等级可选1.0-2.5MPa，特殊管段可选到4.0MPa；预应力钢筒砼管承担中低压管段，压力等级可选0.6-1.6MPa，钢管承担中高压管段和厂区埋管复杂的情况，压力等级可选1.0-2.5MPa。
        4管径、管压统计
        延安引黄工程分4条线路，即黄延线、延长线、子长线、高清线，管线总长145.78km。其中隧洞总长29.07km（包括洞中管长13.63km，明流洞长15.44km）。管道总长133.30km。选用的管材主要有预应力钢筒砼管（PCCP）、球墨铸铁管（DIP）、钢管（SP）三种形式。其中，预应力钢筒砼管（PCCP）长51.61km、管径DN1200-DN1800,管压0.6MPa-1.6MPa；球墨铸铁管（DIP）长64.73km、管径DN600-DN1800,管压0.6MPa-4.0MPa；钢管（SP）长16.96km、管径DN1200-DN2000,管压0.6MPa-2.5MPa。
        洞中管、管桥管道均采用钢管，钢管材质为Q235C，管桥和洞内的钢管结构形式采用明管，用锅炉公式计算内压、用米塞斯公式计算外压，综合计算并考虑锈蚀和钢板系列标准后选定壁厚。管桥处钢管采用保温膜进行包覆，隧洞进出口设有防护门进行隔离防护同时起到保温作用，本工程管道置于隧洞中钢管温度变化相对较小，采用滑动支撑，支撑间距约6m，支撑材料采用自润滑尼龙。洞内明管进出口处设有伸缩节，间距不大于100m，其余管段约150-200m设一个伸缩节，伸缩节采用带套管波纹管伸缩节。管桥伸缩节间距不大于150m。钢管约200m设一人孔，以便检修。单结管长约9-12m，安装时洞内铺设钢轨，各管节架设在钢轨上进行运输就位，对口符合要求后进行焊接，管外焊接管内封底，管桥和洞内留有足够的安装施工空间和行走通道，完全满足运输安装和运行维护要求。内防腐采用喷锌，面漆涂刷饮用水专用涂料，管道外观涂刷改性环氧沥青涂料。钢管维护根据实际情况，每年需检查一次，如漆膜有脱落，根据需要补漆，正常情况下5-10年补刷一次涂料，涂料采用饮用水专用涂料。
        5结论
        通过对延安市黄河沿线实际情况的分析，结合延安黄河引水工程实例，对长距离输水管道设计中管径、管压的选择进行了计算和分析，并根据该分析成果作出了正确的管径管压分段选择。目前，延安黄河引水工程的黄延线已全线贯通，革命老区人民已享受上了优质的黄河水源。为管道设计工作奠定了基础。
        参考文献
        [1]杨泽中.水利工程施工管理特点及质量控制策略研究——评《水利工程管理与施工技术》[J].水利水电技术,2020,51(05):193.
        [2]李鹏.Hoek-Brown准则在软岩～中硬岩坝基岩体力学指标参数选取中的应用——以陕西省延安市龙安水利枢纽工程为例[J].西北水电,2019(04):16-20.
        [3]韩会.延安市富县农田水利工程建设管理现状及发展对策探析[J].地下水,2016,38(03):165-167.
        [4]郭永平.延安南沟门水利枢纽工程坝区右坝肩岩土体渗透分析评价及防渗处理[J].陕西水利,2013(04):69-71.
        [5]薛长青.延安黄河引水工程康家沟事故应急水库输水方案探讨[J].地下水,2014,36(05):163-164.
        [6]郭永平.延安南沟门水利枢纽工程坝区右坝肩岩土体渗透分析评价及防渗处理[J].陕西水利,2013(04):69-71.