長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)探討

賈 超

(甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計(jì)院，甘肅 張掖 734000)

在城市的競爭以及發(fā)展過程中，我們的生活水平得到了逐步提高。同時(shí)，水資源的短缺帶來了一些焦慮。通過長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)方案的落實(shí)，可以解決水資源短缺及水質(zhì)污染等問題，逐步提升水資源的使用效果，滿足行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展需求。但是，有長距離壓力輸水管道工程項(xiàng)目的特殊性，在實(shí)際的項(xiàng)目設(shè)計(jì)會受到施工環(huán)境及材料質(zhì)量等因素的限制，若不能解決上述問題，會影響管道設(shè)計(jì)效果。因此，在行業(yè)運(yùn)行中，設(shè)計(jì)人員需要仔細(xì)分析長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)狀況，結(jié)合工程項(xiàng)目的特點(diǎn)細(xì)化管道設(shè)計(jì)方案提升工程質(zhì)量，以便提升行業(yè)的競爭力。

1 長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

根據(jù)水利工程項(xiàng)目的施工情況，長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下。第一，由于長輸管道的特殊性，在實(shí)際的設(shè)計(jì)中需要穿過較多的村莊、城鎮(zhèn)，而且沿線的地面起伏較大，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，合理選擇供水方式及供水線路，逐步提高長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)的效果；第二，在長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)該分段選擇管材，設(shè)計(jì)人員在具體設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮輸水管網(wǎng)的承壓能力，增強(qiáng)管道的密封性，保證長距離壓力輸水管道工程的連續(xù)供水。管道設(shè)計(jì)中也應(yīng)該保證供水的安全性，通過高質(zhì)量管材的選擇提高管材的抗震性，而且，由于管道建設(shè)費(fèi)用較大，通過長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)技術(shù)的合理選擇，可以節(jié)約成本，滿足行業(yè)的經(jīng)濟(jì)化發(fā)展需求[1]。

2 工程概況

結(jié)合某個(gè)實(shí)際的施工項(xiàng)目進(jìn)行分析。該長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)項(xiàng)目起點(diǎn)在水庫的隧洞出口處。為了滿足工程需求，需要在管道起點(diǎn)新建加壓泵站，在泵站加壓處理中，可以實(shí)現(xiàn)對工程協(xié)調(diào)的目的。工程項(xiàng)目的輸水流量為1m3/s，通過供水可以達(dá)到下級水庫，泵站的前池供水流量為1m3/s、給水設(shè)計(jì)流量為0.3m3/s。設(shè)計(jì)部門為了滿足工程需求，分別設(shè)計(jì)了兩組不同的水泵，揚(yáng)程分別為81.6m， 86.4m。根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，該長距離壓力輸水管道存在著距離長、壓力高的特點(diǎn)。需要注意的是，由于長距離壓力輸水管道的特殊性，設(shè)計(jì)單位要充分考慮施工環(huán)境及地質(zhì)等情況，根據(jù)不同區(qū)域的特點(diǎn)，規(guī)范長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)方案。

3 長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)

3.1 選擇管材

在長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，首先分析投資收益率，之后按照實(shí)際的施工情況，強(qiáng)調(diào)管材選擇的經(jīng)濟(jì)性、可靠性，保證長距離壓力輸水管道工程的正常進(jìn)行。第一，在鋼管選擇中，需要將材料的糙率控制在0.011～0.014的范圍，通過這種管材的選擇，可以保證焊接、承插工序的正常進(jìn)行，而且，在復(fù)雜的環(huán)境下，也可以保證正常供水。但是需要注意的是，應(yīng)該對管材進(jìn)行防腐處理，價(jià)格相對較高[2]。第二，在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管選擇中，應(yīng)該將管道的單節(jié)長度控制在5～6m的范圍內(nèi)，通過該種材料的使用，可以提升管道接頭的密封性，而且材料的抗?jié)B性能較好，也可以不進(jìn)行防腐處理，而且，材料的使用年限較長，一般可以達(dá)到50年。但是應(yīng)該注意的是，在預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管使用中，管道的接頭位置容易脫落，同時(shí)也容易發(fā)生生銹的問題。第三，球墨鑄鐵管。對于該種材料，糙率一般保持在0.011的狀態(tài)，而且，單節(jié)的管道長度在6～8m的范圍。通過該種材料的使用，管道柔性接口的抗沉陷能力較強(qiáng)，材料的外壓較好，使用年限通常維持在30-40年之間。但是，主要運(yùn)用在管徑<1.2m的條件，材料的價(jià)格相對較高[3]。

3.2 確定管徑

通過對長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)方案的分析，在管徑確定中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)工程項(xiàng)目的特點(diǎn)，初步確定管線的布置方案，之后通過科學(xué)化管徑的選擇及確定，按照用戶的用水需求，將供水保證系數(shù)控制在1.1～1.3的范圍內(nèi)，保證長距離壓力輸水管道的正常使用。一般情況下，在管道經(jīng)濟(jì)流速設(shè)定中，需要根據(jù)表一規(guī)范確定流速表[4](表1)。

表1 管道的經(jīng)濟(jì)流速表

3.3 確定管道水壓

在開展長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)時(shí)，需要對管道最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓進(jìn)行確定。為了確定不同工況下的管道最大設(shè)計(jì)壓力，并且實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的布局設(shè)置就需要合理布置排氣閥等沿線閥井。結(jié)合一般情況下長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)來說，所考慮的工況一般有兩種，考慮了兩種供水情況，一種是泵站前池供水，還有一種是給水庫供水。同時(shí)對這兩種工況的一些小工情況進(jìn)行計(jì)算。輸水工程的水力過渡工程以及水泵的啟動(dòng)，停止，閥門的開啟和事故造成的泵站停止等各個(gè)方面的因素均有一些關(guān)系。我們在長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)過程之中，需要采取水錘防護(hù)措施。這個(gè)措施包括了泵在設(shè)置，液控緩閉止回蝶閥、防水錘泄壓閥、輸水管沿線設(shè)置排氣閥等不同的內(nèi)容。借用工程過渡進(jìn)城計(jì)算分析，擬定科學(xué)合理的水泵機(jī)組啟動(dòng)及停止方法。確定液控緩閉止回閥的啟閉操作方式，有效確定鋼管水壓的變化依據(jù)和范圍，增加防水錘式泄壓閥，確保機(jī)組設(shè)備和管道工程的安全運(yùn)行。并能有效地沿管道布置空氣閥，科學(xué)布置引水系統(tǒng)，為機(jī)組參數(shù)選擇和泵站設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)，確保為泵站工程安全運(yùn)行點(diǎn)奠定基礎(chǔ)。結(jié)合管線埋設(shè)的地形高低情況，如果地形高度降低引起的壓力和水頭增加大于沿線水頭損失，則管道壓力最大值出現(xiàn)在最低點(diǎn)，針對該位置應(yīng)該對水壓數(shù)值進(jìn)行把控，確保長距離壓力輸水管道順利運(yùn)行。

3.4 管道壁厚度確定

管道壁厚也是確保長距離壓力輸水管道順利運(yùn)行的關(guān)鍵，直接影響著整個(gè)管線系統(tǒng)的耐久性。在確定管道壁厚的過程中，應(yīng)綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。嚴(yán)格按照《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)要求，在初步制定管道壁厚的基礎(chǔ)上，計(jì)算管道的承載力和極限狀態(tài)，并校核使用極限狀態(tài)。對于埋地鋼管，管道承載力極限狀態(tài)的計(jì)算包括管段周向穩(wěn)定性的計(jì)算。針對正常使用極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)，一般涵蓋鋼管形變計(jì)算內(nèi)容，以便于確保鋼管不超過允許值。通過對管道比厚度進(jìn)行確定，確保長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)科學(xué)合理性。

3.5 縱斷面設(shè)計(jì)

第一，管線選擇中，設(shè)計(jì)單位應(yīng)該仔細(xì)分析工程特點(diǎn)，結(jié)合工程項(xiàng)目的需求，確定管線不舍原則。例如，在線路選擇中，一定要選擇直線，盡量避免管線彎曲，通過這種方案的確定，可以縮短管道長度，滿足行業(yè)的經(jīng)濟(jì)化發(fā)展需求。減少高低起伏的管道設(shè)計(jì)。由于長距離壓力輸水管道項(xiàng)目的特殊性，減少排氣閥可以保證管道的穩(wěn)定性。而且，在管道穿越鐵路、公路的情況下，設(shè)計(jì)方案要符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只有在部門審批之后才可以開展后續(xù)工程，發(fā)揮工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)勢，并保證施工工序的正常進(jìn)行。第二，溝槽開挖。在管道開挖中，最小的寬度要滿足管道的安裝要求，設(shè)計(jì)部門應(yīng)該盡量選擇挖方斷面，通過這種方法可以減少填方斷面的問題，同時(shí)避免工程沉降。第三，管道埋設(shè)深度控制中，設(shè)計(jì)單位要根據(jù)區(qū)域環(huán)境確定設(shè)計(jì)方案。例如，通過冰凍情況、外部荷載等因素的分析，規(guī)范長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)方案，保證管道埋設(shè)深度的合理性。應(yīng)該注意的是，在管道埋設(shè)深度控制中，深度一定不能<1.5m，過程中為了保證管線的穩(wěn)定性，應(yīng)該規(guī)范管頂?shù)母采w土厚度，保證施工工序的正常進(jìn)行[5]。

4 長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)管理的優(yōu)化策略

結(jié)合長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)的項(xiàng)目特點(diǎn)，為了提高工程項(xiàng)目的質(zhì)量，設(shè)計(jì)單位需要結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)落實(shí)管理方案，逐步提升管理的設(shè)計(jì)質(zhì)量，為行業(yè)的穩(wěn)步運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考。通常情況下，在長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)管理策略完善中需要做到：第一，是落實(shí)全面的項(xiàng)目管理機(jī)制。根據(jù)長距離壓力輸水管道項(xiàng)目的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在工程管理中，應(yīng)該設(shè)置高效、全面的項(xiàng)目管理機(jī)制。例如，項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，需要用數(shù)據(jù)說話，通過施工影響因素、質(zhì)量控制因素的綜合分析，規(guī)范工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)設(shè)計(jì)人員要充分技術(shù)資料、工程數(shù)據(jù)以及施工地點(diǎn)等因素，確定各個(gè)崗位人員的職能，保證長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)及施工工序的正常進(jìn)行。第二，是完善遠(yuǎn)程故障控制及遠(yuǎn)程檢測方案。在長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)施工中，遠(yuǎn)程故障控制是較為重要的，設(shè)計(jì)單位在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該增加遠(yuǎn)程診斷服務(wù)器，將這一設(shè)備融入在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，通過長距離壓力輸水管道運(yùn)行情況的監(jiān)測，提高長輸管道復(fù)雜問題的解決效率，實(shí)現(xiàn)長距離壓力輸水管道故障高效解決的目的。第三，是強(qiáng)化現(xiàn)場焊接管理。在長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)及施工管理中，為了保證管道工程的正常使用，設(shè)計(jì)單位要加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)測、技術(shù)檢測，之后設(shè)置動(dòng)態(tài)化的管理機(jī)制，幫助施工單位降低風(fēng)險(xiǎn)，逐步提升工程項(xiàng)目的整體質(zhì)量。針對焊接質(zhì)量問題，一定要及時(shí)上報(bào)相關(guān)部門，結(jié)合區(qū)域情況、管道使用情況等，落實(shí)管道維護(hù)方案，提高管道故障的處理效果。應(yīng)該注意的是，在焊接施工中，施工單位不能隨意更改設(shè)計(jì)方案，對于一些必須修改的問題，要與設(shè)計(jì)部門取得聯(lián)系，在審批通過后才可以進(jìn)行后續(xù)施工[6]。

5 管道附屬建筑物設(shè)計(jì)

5.1 檢修閥井

布設(shè)檢修閥井能夠在管道發(fā)生故障時(shí)展開分段檢修，有效提高檢修與清淤的效率。在布設(shè)檢修閥井時(shí)要充分考慮到事故檢修排水、地形及飲水運(yùn)行管理等各項(xiàng)因素，通常情況下會將檢修閥井布置在管道的起點(diǎn)、末端、分水口及穿越河道、公路、鐵路段，在業(yè)主提出特殊要求的情況下選擇管道段，若管徑較小，并且在地下水位上方時(shí)，檢修閥井可以用砌磚結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)較為簡單，并且便于施工，若管徑較大并在地下水位以下時(shí)，最好采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的檢修閥井。

5.2 排水閥井

為了方便管道檢修，在事故發(fā)生后第一時(shí)間將管道中的存水排放出去，并且對管道內(nèi)部陳集的雜物泥沙進(jìn)行及時(shí)沖洗，考慮到檢修時(shí)間要求將排水閥井布置在管道底部凹陷位置?；蛘咴跈z修閥井之前，通常情況下排水閥井由干井與濕井兩部分構(gòu)成，將排水閥放置于干凈干井中，濕井中留有排水管道出口，再由搶險(xiǎn)車上的水泵將濕井中的水及時(shí)排出。在進(jìn)行排水操作時(shí)，井中需要過水，要求排水井具備防滲性，通常會采用鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)。

5.3 空氣閥井

設(shè)置空氣閥井能夠及時(shí)將管道中聚集的氣體排出去，避免管道中發(fā)生氣阻現(xiàn)象。排出管道中沖水時(shí)的氣體在放空水時(shí)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣，正常運(yùn)行狀態(tài)下排出水中帶有的微量氣泡，在管道中段高低起伏時(shí)，需要在管道沿線突出位置不設(shè)空氣閥井，在管道中段為某一個(gè)較小的坡度并且較長一段沒有高低起伏時(shí)，至少在800m左右時(shí)設(shè)置一處空氣閥井。很多工程在運(yùn)行過程中出現(xiàn)管道爆裂的現(xiàn)象，都是由于空氣閥井設(shè)置不合理造成的。

5.4 流量計(jì)井

通常會在管道的起點(diǎn)、末端、分水口處設(shè)置流量計(jì)井，設(shè)置流量計(jì)井的目的是能夠準(zhǔn)確掌握管道內(nèi)水流情況，提高工程管理效率，并且每個(gè)流量計(jì)井中都會配置一個(gè)流量計(jì)。

6 結(jié) 語

總之，在長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)中，為了可以切實(shí)提高項(xiàng)目的資料設(shè)計(jì)部分，一定要根據(jù)工程的項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行。確定規(guī)范性的工程設(shè)計(jì)方案，之后通過管道輸水方式的確定、管道最大設(shè)計(jì)內(nèi)壓力以及管道厚度的確定等，發(fā)揮長距離壓力輸水管道工程的經(jīng)濟(jì)效益，為行業(yè)的持續(xù)運(yùn)行及正常發(fā)展提供參考。一般來說，長距離壓力輸水管道設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)單位需要把管材的選擇以及管徑確定、管線縱橫斷面的設(shè)計(jì)等，規(guī)范項(xiàng)目施工方案，穩(wěn)步提升工程質(zhì)量，滿足行業(yè)持續(xù)發(fā)展需求。