南水北調中線供水配套工程管道設計重難點研究

王全鋒 楊璐 馬會珍 高小濤

（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南 鄭州 450003）

南水北調中線供水配套工程管道設計重難點研究

王全鋒 楊璐 馬會珍 高小濤

（黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南 鄭州 450003）

供水配套工程是指南水北調中線總干渠沿線分水口門到各受水城市水廠之間的輸水工程，上接總干渠，下連城市水廠，擔負著承上啟下的輸水任務。以河南省受水區(qū)某市供水配套工程的設計和運行實踐經(jīng)驗為例，從輸水線路布置、輸水管材選擇和水錘防護措施等方面對南水北調中線供水配套工程管道設計進行探討。

供水配套工程；輸水線路布置；輸水管材選擇；水錘防護措施

1 工程概況

河南省受水區(qū)供水配套工程主要向南陽、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、濮陽和安陽等11座省轄市區(qū)和所屬的7個縣級市、25個縣城及禹州神垕鎮(zhèn)、鄧州移民安置區(qū)、南陽龍神工業(yè)園區(qū)等48個供水目標區(qū)提供生活和工業(yè)用水。在總干渠主體工程完成的前提下，總干渠分水口至城市自來水廠入口之間的配套工程和城市水廠及管網(wǎng)工程的設計施工則至關重要，直接關系著整個項目的目標實現(xiàn)，是工程發(fā)揮效益的重要環(huán)節(jié)。

河南省某市供水配套工程年分配水量1.19億m3，管道設計流量為6m3/s，輸水方式為重力流輸水，主管道長度約46.91km，為DN2600 PCCP管道，終點為該市規(guī)劃水廠；有1條引黃調節(jié)池支線，管道長度8.23km，為DN2400 PCCP管道。

2 設計重難點

2.1 輸水線路布置的原則

①符合城市總體規(guī)劃和供水規(guī)劃，滿足近期開發(fā)需要且符合遠期規(guī)劃，結合城鎮(zhèn)化發(fā)展的速度、減少拆遷和節(jié)省投資等綜合考慮；盡量沿現(xiàn)狀及規(guī)劃道路鋪設，減少與當前建筑物、管線和電纜等地交叉，減少對農田和植被的破壞，防止水土流失。

②要充分利用地形優(yōu)勢，優(yōu)先考慮重力流輸水，或部分重力流輸水；要根據(jù)輸水方案、地形條件、管道根數(shù)，對不同的工況進行技術分析比較，選擇安全可靠的輸水方式。

③盡量平直，減少急轉彎，以減少水力損失；根據(jù)管道允許調整角度要求布置，減少鎮(zhèn)墩數(shù)量；控制工程規(guī)模，降低工程造價。

④穿越段盡量采取垂直穿越；穿越河流時，管道埋深必須考慮河流的洪水沖刷線；穿越大型道路時，在不影響現(xiàn)有道路正常運行的前提下，盡量采用頂管或箱涵穿越。

⑤管道埋深需結合當?shù)貎鐾辽疃取⒎笤O位置和荷載等綜合確定。針對本工程，在耕地內敷設的管線，管頂覆土不小于1.5m，在城區(qū)及荷載較大段，管頂覆土不小于2.0 m。

⑥與交叉建筑物之間的凈距應滿足《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》（GB50289-2016）［1］的要求，局部管段不滿足規(guī)范要求時，應采用安全的施工工藝措施。

2.2 輸水管材選擇

管材的選擇一般要考慮工程的規(guī)模及重要性、管道的工作壓力、輸水距離的長短、工程的進度及工程所在地的地形、地貌、地質情況，當?shù)毓懿牡纳a狀況，應用管材的習慣，能源價格，進行技術、經(jīng)濟、安全等方面的綜合比較后確定。目前，供水管材有多種，對于大管徑的管材，大都在鋼管（SP）、預應力鋼筋混凝土管（PCP）、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼夾砂管（GRP）和球墨鑄鐵管（DIP）中選擇，各種管材都有其優(yōu)缺點。

2.2.1 鋼管（SP）。鋼管的優(yōu)點是：管材強度較高，承受壓力大，對地形的適應性強，糙率低，糙率系數(shù)n= 0.01～0.011；水頭損失較小，單位管長重量較輕，鋼管的密封性好，對地基不均勻沉降適應能力強，適用于地形復雜地段。

鋼管的缺點是：剛度小，大口徑管極易變形；抗腐蝕性差，易生銹，水質容易受到污染；給水管道需增加內、外防腐；防腐層易老化，耐久性差；現(xiàn)場施工安裝時對口焊接工作量大，焊接后的補口質量較難保證；管道重量輕，抗震動性能差，易拉裂，管徑加大，性價比降低。

2.2.2 預應力鋼筋混凝土管（PCP）。PCP管的優(yōu)點是：加工工藝簡單，造價低，具有良好的抗?jié)B性和耐久性，施工速度快，安裝方便，管內壁光滑，不結垢，水力條件好，輸水能力強，耐腐蝕，不需做內外防腐處理。

PCP管的缺點是：材質重且脆，運輸不方便，承插接口的加工精度難以保證，接頭復雜，維修不便，有些管道管體中存在空鼓或裂縫，容易引起滲漏；PCP管管徑和工作壓力使用范圍小，其管徑一般在DN2000以下，工作壓力范圍在0.4～1.0MPa，與其他管材相比糙率大。

2.2.3 預應力鋼筒混凝土管（PCCP）。PCCP管的優(yōu)點是：PCCP是一種鋼筒、鋼絲與混凝土構成的復合管材，集中了鋼管和預應力鋼筋混凝土管的優(yōu)點，具有管徑使用范圍大、承受工壓高、高抗?jié)B的性能（管徑為DN400～DN4000，工作壓力為0.4～2.0MPa，最高內壓可達2.5MPa）。管壁厚，剛度大，抗震能力強，混凝土結構，耐腐蝕性能好；管子接口加工精度高，采用雙橡膠圈，密封性能好，承插式安裝，方便快捷，維修費用低；在每根管插口的密封圈之間留有打壓孔，接頭打壓檢驗簡單方便，可以邊安裝邊打壓，管道重量大，抗震動性能好。

PCCP的缺點是：對鋼絲質量要求高，保護層比較?。?5mm），管道重運輸不方便。

2.2.4 玻璃鋼夾砂管（GRP）。GRP管的優(yōu)點是：強度高，密封性好，摩阻系數(shù)小，重量輕，比重僅為鋼、鑄鐵管的1/4～1/5，混凝土的2/3；施工運輸方便，易于安裝；單根管道長度長，管道接頭少，設計靈活，產品適應性強；耐腐性能好，使用壽命長，無毒害、無二次污染，無電腐蝕之慮，可直接埋設于酸性或堿性土壤中，無需保護，玻璃鋼管的連接也采用承插式，并設置膠圈止水，安裝方便。

GRP管的缺點是：由于管內采用夾砂，管道質地脆性增加，抗外壓能力較差，導致管道受外壓后接頭滲漏；對管道基礎處理和回填土要求較高，增加施工難度，且管徑一般不超過DN2000。

2.2.5 球墨鑄鐵管（DIP）。球墨鑄鐵管的優(yōu)點：綜合了鋼管柔性和鑄鐵管耐腐蝕性的優(yōu)點，強度和延伸率比鋼管均有提高，使用壽命更長；管道抗?jié)B性更好，采用承插安裝，橡膠圈密封，施工方便，降低工程安裝費用的同時，也提高了對不良地基的適宜性。

球墨鑄鐵管的缺點是：管道重量輕，抗震動性能差，內襯水泥砂漿層易裂縫空鼓，單位長度造價比高，尤其是當管徑大于DN1200時，性價比開始降低；管徑增大，制造難度加大，管材價格增加明顯。

考慮到本工程為長距離大管徑供水，故選取PCCP管、鋼管和球墨鑄鐵管進行詳細對比，詳見表1。

輸水管材選擇原則為：在保證供水安全的前提下，采用投資成本低、漏損率低、安全性能好、維修方便的管材。本工程為供水壓力1.0MPa的重力流輸水，輸水線路周邊地質條件較好，不存在堅硬和散落巖石。綜合考慮，本工程輸水管材推薦采用PCCP管，在穿河、過路等特殊地段采用鋼管。

2.3 水錘防護措施

合理計算水錘值，對保證工程安全與正常運行、優(yōu)化管道設計、節(jié)省工程投資等都有重要意義。根據(jù)水錘防護措施選取原則，即技術上安全可靠、經(jīng)濟上合理、管理上方便，結合分水口門輸水系統(tǒng)運行工況復雜的實際情況，通過計算機數(shù)值解法對水錘進行復核計算，本工程主要采取以下水錘防護措施。

2.3.1 合理布置輸水線路。輸水線路的確定對整個工程建設的影響至關重要，在選擇線路時，要充分考慮地質地形條件、施工條件、工程投資、工程運行管理等，并根據(jù)情況的動態(tài)變化進一步優(yōu)化線路。

2.3.2 合理選擇閥門形式。為了滿足管線系統(tǒng)在啟動、檢修和正常運行過程中的進排氣要求，按照《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術規(guī)程》（CECS 193:2005）要求，按間距0.8～1.0km設置具有高速進氣和排氣的復合式進排氣閥，在特殊位置適當加密［2］。對于管線末端接入出水池或水廠恒定流和壓力水頭的要求，通過設置活塞式調流調壓閥來滿足。

表1 不同管材技術經(jīng)濟比較表

2.3.3 延長閥門啟閉時間。各支線單獨關閥結論：為滿足各管段的壓力控制標準，在干線分水口門調節(jié)水池為最高水位，所有支線水廠正常運行工況下，當支線需要停水時，其他支線閥門可以較快速關閉，規(guī)劃水廠單獨關閉閥門時，水廠閥門關閉時間應大于390s；引黃調節(jié)池支線單獨關閉閥門時，水廠閥門關閉時間應大于310s。

各支線同時關閥結論：對于同時關閥工況，為滿足各管段的壓力控制標準。規(guī)劃水廠支線運行工況，水廠閥門關閉時間應不小于699s。引黃調節(jié)池支線運行工況，規(guī)劃水廠閥門關閉時間應不小于633s。

2.3.4 設置單向調壓塔。針對爆管工況，對整個輸水系統(tǒng)進行了詳細研究，目標是各支線在爆管時要盡量保證主管道的安全以及其他支線正常運行。經(jīng)水錘計算分析后，在引黃調節(jié)池支線分叉口后增加1座單向調壓塔，截面直徑為5.5m，頂部高程為64.2m；當規(guī)劃水廠支線或引黃調節(jié)池支線發(fā)生爆管事故時，建議支線首部閥門以斜率1/900s一段直線規(guī)律關閉。

3 結論

①本工程已于2014年通水調試成功，到目前為止，輸水系統(tǒng)運行穩(wěn)定，為該市提供了水質更優(yōu)的丹江口水庫水，使其成為河南省南水北調中線供水配套工程的直接受益者。

②本工程屬于典型的長距離輸水工程，具有管線長、流量大、管徑大和揚程小等特點，整個輸水系統(tǒng)運行復雜，通過工程實踐驗證，水錘防護措施是安全有效的，可以作為典型工程進行分析交流。

③南水北調中線配套供水工程涉及范圍較廣，運行調度管理非常復雜；分配水量為遠期規(guī)模，近期接納能力有限，加之調蓄、應急設施不足，使部分管道沒有在設計正常工況運行。因此，需要在后續(xù)配套工程實施方案中明確各城市應急調蓄供水設施規(guī)模，應急時各類用水的優(yōu)先次序及統(tǒng)一調度計劃，從而為各受水地區(qū)供水配套工程的實施提供技術支持。

［1］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB50289-2016，城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范［S］.北京：中國標準出版社，2016.

［2］中國市政工程東北設計研究院，長安大學.CECS193-2005，城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術規(guī)程［S］.北京：中國計劃出版社，2006.

Research on the Difficulties in Pipeline Design of Water Supply Project in the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project

Wang QuanfengYang LuMa HuizhenGao Xiaotao
（Yellow River Survey Planning and Design Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450003）

The water supply supporting project is the water diversion project between the main channel of the middle route of the middle route of the South-to-North Water Diversion Project and the water supply plant in each water re?ceiving city.On the main canal,the city water plant is under the water supply task.In Henan province by the water?front city water supply supporting engineering design and operation experience as an example,from the aspects of wa?ter conveyance line layout,pipe material selection and water hammer protection measures of South-to-North water supply pipeline supporting engineering design are discussed

water supply matching project；layout of water delivery line；selection of water delivery pipe；water ham?mer protection measures

TV68

A

1003-5168（2017）08-0104-03

2017-07-01

王全鋒（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：供水、排水、海綿城市建設方向的工程設計和科研工作。