(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆自治區(qū)地處西北大陸，水資源缺乏，且分布較為不均，加之某些地區(qū)經濟發(fā)展較快，用水矛盾問題日益突出，因此水資源輸送和調配成為維持某些地區(qū)社會經濟發(fā)展的必要途徑。大口徑長距離輸水管道是當前水資源調配的主要手段，在保證水質、管材及線路選擇、施工靈活性等方面相對于渠道輸水有著較大優(yōu)勢。

1 工程概況

新疆某開發(fā)區(qū)是“一帶一路”新疆站的重要據點，于2012年9月15日經國務院批準成為國家級經濟技術開發(fā)區(qū)。近10年來，開發(fā)區(qū)累計完成基礎設施投資80億元，招商引資超過667億元，逐步建立起以煤電、煤化工、煤制油、新興建材等為主的支柱產業(yè)。為保證開發(fā)區(qū)日常用水，設計建設一條連接某水庫到開發(fā)區(qū)的輸水管道，長度約20.4 km。

2 輸水管道優(yōu)化設計分析

大口徑長距離輸水管道優(yōu)化設計主要包括的內容有：管材選擇、輸水干管條數、管徑選擇、管道埋深等內容，下面以準東經濟開發(fā)區(qū)輸水管道工程分別進行分析。

2.1 輸水管道管材的選擇

管道是輸水工程中的核心因素，如果管道某處出現爆管、滲漏等問題，將會帶來巨大的水資源浪費，且維修難度大、費用高。管材的選取直接決定了輸水管道的安全穩(wěn)定性，而且對工程投資也有著直接影響，因此需要結合多方因素綜合考慮。

2.1.1 各類管材優(yōu)缺點比較

目前可用于輸水管道的管材主要包括：鋼管(SP)、球墨鑄鐵管(DIP)、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、玻璃鋼夾砂管(FRPM)。各類型管材優(yōu)缺點對比相見表1所示。

2.1.2 不同管材水力條件分析

由于大口徑輸水管道輸送水量大、距離長，因此產生的水頭損失較大，為節(jié)約運行功耗，盡量選擇水力特性好的管材。本項目為方便計算，采用“舍齊公式”來計算各類管材水頭損失。

表1 各類管材優(yōu)缺點對比

(1)

式中：Q為流量，m3/s；k為常數；n為粗糙系數；D為管徑；i為水力坡度。

根據以下三種情況來對比不同管材水力條件：1)流量、水頭損失一樣，求管徑之比；2)管徑、水頭損失一樣，求流量之比；3)管徑、流量一樣，求水頭損失之比。具體計算結果對應情況為：

1)四種管材(順序為：鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管、玻璃鋼夾砂管)管徑之比為“1.15：1.15：1.1：1”，即在流量、水頭損失一樣情況下，鋼管和球墨鑄鐵管管徑最大，預應力鋼筒混凝土管其次，玻璃鋼夾砂管最??；

2)四種管材流量之比為“1：1：1.17：1.43”，即玻璃鋼夾砂管的流量遠大于鋼管和球墨鑄鐵管，預應力鋼筒混凝土管位于中間位置；

3)四種管材水頭損失之比為“2.1：2.1：1.5：1”，即玻璃鋼夾砂管水頭損失遠小于鋼管和球墨鑄鐵管，預應力鋼筒混凝土管還是位于中間位置。

2.1.3 管材的確定

通過上述對比，玻璃鋼夾砂管的水力特性最突出，但是其單價較高，且質地較軟，本工程輸水方式為“重力+加壓泵站”。管線經過地帶多為經濟作物，需要填埋后復耕。從施工條件、地質條件、管道承壓等各方面考慮，最終選擇預應力鋼筒混凝土管(PCCP)作為本工程施工管材，其具體結構如圖1所示。

圖1 預應力鋼筒混凝土管(PCCP)具體結構

2.2 輸水干管條數設計

輸水安全性和可靠性是評價管道工程的重要指標，該開發(fā)區(qū)對當地經濟影響較大，因此本項目對單管方案和雙管方案進行了比較。根據估算，開發(fā)區(qū)用水規(guī)模在35～40萬 m3之間，初步擬定管徑范圍在DN1600-2400(以中間加壓泵站為界點，管徑由大變小)，據此對兩方案經濟性進行對比，相見表2。

表2 輸水干管條數方案對比

由表2數據可知：單管方案比雙管方案節(jié)省投資為2 320.4元/m，共計節(jié)約投資超過4 600萬元，且開發(fā)區(qū)附近有一小型水庫可作為應急水源，因此本項目設計采用單管輸水方案。

2.3 經濟管徑優(yōu)化設計

在大口徑長距離輸水管道系統(tǒng)中，管道成本占到整個工程投資的70%左右，若管徑過大，則會增加管道、泵站投資；若管道過小，則會增加日常運行費用。因此最佳管徑應結合管網、管材、輸水量等多個因素綜合考慮。

2.3.1 糙率和水頭損失計算

經查找相關規(guī)范可知：預應力鋼筒混凝土管(PCCP)糙率n范圍在0.011～0.012 5，考慮管道運行一段時間后內壁會產生生物膜，因此本項目管道糙率n取最大值0.012 5。

針對本項目重力流段輸水管道，結合曼寧公式和謝才公式來估算其水頭損失，其中沿程水頭損失hf計算見(2)。為簡化計算，本項目的局部水頭損失按照沿程水頭損失的10%計算。

(2)

式中：v為水流速度，m/s；C為謝才系數；R為水力半徑，m；l為輸水管線長度，m。

2.3.2 最優(yōu)管徑的確定

該開發(fā)區(qū)輸水管道工程重力流段長約12 km，最大流速設計不超過3 m/s，根據用水規(guī)模，設計以下三種管徑組合方案。由表中數據可知：三種組合方案流速、流量等均符合要求，但水頭損失相差較大，考慮工程經濟性及準東經濟開發(fā)區(qū)的發(fā)展規(guī)模，本項目設計采用組合二方案作為最終施工方案。

表3 重力流段PCCP管組合對比

3 結語

通過方案對比最終確定了該工程最優(yōu)管道選取參數和組合方案，在滿足要求的前提下充分考慮開發(fā)區(qū)的發(fā)展前景，該經濟開發(fā)區(qū)完成該項輸水管道鋪設工程后，基本保證了未來20年的發(fā)展需要，且工程取得了較好的經濟和社會效益。輸水管道是地區(qū)建設的重要基礎性設施，在設計時應緊密結合工程實際情況，力求各項指標做到因地制宜，切不可盲目追求高大上設計。