長(zhǎng)距離低水頭有壓重力流輸水管道設(shè)計(jì)方案探討

陳 會(huì)，肖 燁

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430070)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，建設(shè)引調(diào)水工程越來(lái)越成為緩解區(qū)域水資源匱乏的有效途徑。如何減少輸水過(guò)程中的損失，提高水的利用率和用水安全是引調(diào)水工程中需要考慮的重點(diǎn)。相比于泵流輸水，重力流輸水方式能最大限度地利用水的勢(shì)能，不需要外界提供動(dòng)力、清潔節(jié)能、運(yùn)行管理方便簡(jiǎn)單。重力流輸水從水力學(xué)角度可分為無(wú)壓重力流輸水和有壓重力流輸水[1]。無(wú)壓重力流輸水明渠需要采用較大的過(guò)水?dāng)嗝妫^損失較大，且沿線永久占地問(wèn)題難以解決。為了盡量節(jié)約水頭、減少沿程水頭損失，有壓重力流輸水是一種值得研究探討的輸水方式。相比于無(wú)壓流輸水已在實(shí)踐中積累了豐富的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，重力流輸水管道，尤其是長(zhǎng)距離低水頭有壓重力流輸水工程，由于工程實(shí)例并不多見(jiàn)，許多問(wèn)題尚需要在實(shí)踐中研究解決。

本文以實(shí)際工程為基礎(chǔ)，探尋長(zhǎng)距離低水頭有壓重力流輸水管道的設(shè)計(jì)方案，對(duì)輸水管材、管徑進(jìn)行綜合比選。

1 工程概況

近年由于澤口閘附近漢江河段河床下切明顯，澤口閘引水能力降低，導(dǎo)致澤口灌區(qū)灌溉保證率下降，設(shè)計(jì)水平年保證率達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。為恢復(fù)澤口供水區(qū)供水保障程度，改善特枯水年澤口供水區(qū)供水狀況，保障通順河等主要河流生態(tài)用水，恢復(fù)和增加通順河等主要河流水環(huán)境容量和質(zhì)量，實(shí)施引隆補(bǔ)水工程規(guī)劃及可行性研究。

經(jīng)分析研究以及規(guī)劃審批，該工程總體布局為：取水水源位于興隆庫(kù)區(qū)，輸水終點(diǎn)位于澤口灌區(qū)深江新閘后1.5 km處，線路總長(zhǎng)約40.1 km。取水口水位35.70 m，受水點(diǎn)水位27.51 m，水頭差僅為8.19 m，設(shè)計(jì)流量35 m3/s。因沿線基本農(nóng)田遍布，且水頭緊張，有壓重力流輸水管道在本工程中有明顯適用性。

2 管道設(shè)計(jì)方案

2.1 管材種類

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，特別是近幾年我國(guó)引進(jìn)大量的新型管材和新的生產(chǎn)工藝后，大型長(zhǎng)距離輸水工程大多在球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)與玻璃鋼管等管材中選擇。工程水頭小，距離長(zhǎng)，所采用的管徑越大，則流速越小，水頭損失也越小；因而有壓重力流輸水方式必定需要在大口徑輸水管道中選取?？梢?jiàn)，管材的比選與管徑的選擇是密切關(guān)聯(lián)的。

國(guó)內(nèi)球墨鑄鐵管最大口徑為DN2600。PCCP標(biāo)準(zhǔn)[2]和玻璃鋼管標(biāo)準(zhǔn)[3]中最大管徑均可達(dá)到DN4000。國(guó)內(nèi)應(yīng)用的PCCP最大口徑為南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程中使用的DN4000；玻璃鋼管最大口徑為新疆北疆供水一期工程小洼槽倒虹吸使用的DN3700，標(biāo)準(zhǔn)最大口徑玻璃鋼管未在工程實(shí)踐中進(jìn)行檢驗(yàn)。因此，將PCCP管作為備選方案之一。

由于以上幾種管材在管徑方面的局限性，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)采用盾構(gòu)法敷設(shè)大口徑輸水管道的工程實(shí)例漸次出現(xiàn)，如上海青草沙水源工程(內(nèi)徑5.5 m)[4]、南水北調(diào)中線穿黃工程(內(nèi)徑7.0 m)[5]等。輸水管道可直接為盾構(gòu)管片，也可為盾構(gòu)管片+內(nèi)襯鋼管或鋼筋混凝土管的結(jié)合體。不論是直接采用盾構(gòu)管片輸水，還是選用盾構(gòu)管片內(nèi)襯鋼筋混凝土管，管道材質(zhì)均為鋼筋混凝土，因此，為適應(yīng)本工程特點(diǎn)，將鋼筋混凝土管道作為備選方案之二。

2.2 管徑比選

管徑選擇與經(jīng)濟(jì)流速、水頭損失等有關(guān)。在同等條件下，隨著管徑的增大，流速越小，管路水頭損失減小，但管道造價(jià)相應(yīng)會(huì)增加。相反，管徑減小，流速越高，水損越大，能量消耗較高，但可降低管道造價(jià)。

計(jì)算管道沿程水頭損失，對(duì)于沿程均一管徑的管道沿程水頭損失按下式計(jì)算：

hf=v2L/(C2R)

式中：hf為沿程水頭損失，m；R為水力半徑，m；C為謝才系數(shù)，C=1/n(R1/6)；n為管道糙率系數(shù)，PCCP管糙率系數(shù)取值0.011 9[6]，鋼筋混凝土輸水管糙率系數(shù)取值0.014。

考慮本工程管道沿線拐點(diǎn)、轉(zhuǎn)彎較多，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%進(jìn)行估算[7]。編制Excel水力計(jì)算表格，采用經(jīng)濟(jì)水頭損失的方法計(jì)算經(jīng)濟(jì)管徑。在滿足重力流的情況下，盡可能地減小管徑，設(shè)法將工程水頭充分利用，以此計(jì)算的管徑即為經(jīng)濟(jì)管徑，工程投資最小。PCCP管的計(jì)算原則為按照目前國(guó)內(nèi)規(guī)格選取公稱直徑，增減根數(shù)直到所選管道方案能滿足重力流輸水條件。為與國(guó)內(nèi)盾構(gòu)機(jī)工作面直徑相適應(yīng)，同時(shí)也為減少盾構(gòu)設(shè)備費(fèi)用，盾構(gòu)法敷設(shè)混凝土輸水管僅對(duì)單管和雙管方案進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表1。

表1 輸水管道水頭損失計(jì)算

經(jīng)計(jì)算可知，若采用2根PCCP管，管徑取標(biāo)準(zhǔn)中最大值DN4000時(shí)，水頭損失仍較大，不能滿足重力流輸水的要求；增加根數(shù)，采用3根DN3800PCCP管時(shí)，總水頭損失明顯減小，達(dá)到重力流輸水條件。然而，由于PCCP管僅能從既有規(guī)格直徑中選取，3根DN3800PCCP管方案在滿足重力流輸水條件的同時(shí)，未利用水頭達(dá)1.11 m，尚不經(jīng)濟(jì)。盾構(gòu)法敷設(shè)混凝土輸水管時(shí)，單管方案采用內(nèi)徑6.0 m、雙管方案采用內(nèi)徑4.6 m時(shí)既能滿足重力流輸水條件，又能使未利用水頭最低，分別僅為0.47、0.23 m，較為經(jīng)濟(jì)。

2.3 投資對(duì)比及方案選擇

通過(guò)管材、管徑的綜合比較，初擬了3根PCCP管、2根內(nèi)徑4.6 m混凝土輸水管、1根內(nèi)徑6.0 m混凝土輸水管的備選方案。計(jì)算不同管道方案的主要土建工程直接投資，在輸水線路總長(zhǎng)度上進(jìn)行分?jǐn)?，得出各方案的單位線路長(zhǎng)度投資對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 輸水管道方案投資對(duì)比

PCCP管方案投資最大，主要原因在于：①PCCP管需通過(guò)埋管法布設(shè)輸水管道，土方開(kāi)挖回填工程量大；②管槽開(kāi)口線寬度估計(jì)約50 m，臨時(shí)占地面積大、拆遷補(bǔ)償成本較高；③工程區(qū)水資源豐富，地下水常年保持在地表以下1 m處，基坑開(kāi)挖穩(wěn)定邊坡須緩于1∶2，受施工機(jī)械振動(dòng)、降雨等影響，基坑邊坡易產(chǎn)生滑移，臨時(shí)排水及邊坡處理工程量較大。同時(shí)，由于管道沿線基本農(nóng)田遍布，臨時(shí)征用、組織協(xié)調(diào)難度極大。

混凝土輸水管單管方案在工程投資上優(yōu)勢(shì)較大，比PCCP管方案節(jié)省投資約16.6%，比雙管方案節(jié)省約13.3%。盾構(gòu)法敷設(shè)輸水管道不受地表因素的控制，除工作井外，不構(gòu)成沿線大規(guī)模臨時(shí)占地。采用盾構(gòu)法施工，按工程地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)備選型，是隧道施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[8]。適應(yīng)本工程地下水豐富的特點(diǎn)，選用泥水加壓平衡盾構(gòu)技術(shù)可以有效穩(wěn)定開(kāi)挖面地層，降低對(duì)地層的擾動(dòng)，且通過(guò)泥水形成的泥膜有效地防止涌水，通過(guò)同步注漿可以很好地控制地表下沉且能避免發(fā)生管片滲漏，在滲透系數(shù)大、水土壓力較大的富水地層中能較好地控制施工風(fēng)險(xiǎn)[9]。

相比于單管方案，雙管方案的優(yōu)勢(shì)在于其輸水可靠度較高，一旦某根管道發(fā)生故障，另一管道仍可正常供水。然而，本工程水頭較低，管道內(nèi)最大工作水頭約0.4 MPa，設(shè)計(jì)流速僅1.24 m/s，管道發(fā)生故障概率較低，且本工程任務(wù)主要以灌溉為主，可充分利用不引水時(shí)段對(duì)管道進(jìn)行全面檢修維護(hù)，進(jìn)一步減小管道故障率，進(jìn)而提高其輸水可靠度。

基于以上對(duì)比分析可知，不論是從經(jīng)濟(jì)角度還是從風(fēng)險(xiǎn)控制角度來(lái)看，盾構(gòu)法單管方案都更適用于本工程長(zhǎng)距離低水頭有壓重力流輸水的特點(diǎn)。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)在長(zhǎng)距離低水頭輸水工程中，為盡量節(jié)約水頭、減少沿程水頭損失，相比于無(wú)壓流，有壓重力流輸水是一種值得研究探討的輸水方式。

2)管道方案的確定需經(jīng)過(guò)管材、管徑綜合比選。長(zhǎng)距離有壓重力流輸水經(jīng)濟(jì)管徑的確定原則是既能滿足減少水頭損失以實(shí)現(xiàn)重力流輸水，又要盡量縮減未利用水頭。管徑越大，流速越小，管道水損減小，但管道造價(jià)相應(yīng)會(huì)增加，應(yīng)通過(guò)計(jì)算合理選擇經(jīng)濟(jì)管徑。

3)PCCP管、玻璃鋼管等國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的新型管材，在管徑方面存在一定的局限性，大管徑應(yīng)用工程實(shí)例亦不多；而盾構(gòu)法敷設(shè)輸水管道可達(dá)到更大管徑，近年來(lái)在輸配水工程中應(yīng)用日趨成熟。長(zhǎng)距離低水頭輸水對(duì)管徑提出更高的要求，采用盾構(gòu)法敷設(shè)輸水管道在此方面有其優(yōu)越性；且相比于埋管法，本工程盾構(gòu)法投資方面也更具優(yōu)勢(shì)。

4)本文基于長(zhǎng)距離低水頭有壓重力流輸水工程規(guī)劃及可研階段資料，進(jìn)行了前期管道設(shè)計(jì)方案比選，為類似工程提供了參考。實(shí)際工程中應(yīng)隨著設(shè)計(jì)階段的深入和設(shè)計(jì)資料的完善，進(jìn)一步復(fù)核、確定設(shè)計(jì)方案。