張睿

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，合肥230088）

1 引言

從城市供水的發(fā)展來(lái)看，適用于水源的水資源日漸匱乏，伴隨著城市的發(fā)展和擴(kuò)張，水資源的短缺成為城市發(fā)展的短板，以集中、安全、一體化供水為原則，遠(yuǎn)離中心城鎮(zhèn)的發(fā)展區(qū)域多采用長(zhǎng)距離輸水方式來(lái)解決地區(qū)水資源供給不足、水安全難以保障的問(wèn)題。

長(zhǎng)距離輸水管線的設(shè)計(jì)不同于城市內(nèi)的配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，距離長(zhǎng)、水頭損失大、受管材、設(shè)備性能的限制，同時(shí)考慮安全節(jié)能的要求，對(duì)長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理性要求更加嚴(yán)格。

2 輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)距離輸水管線工程多處于城郊野外，工程建設(shè)區(qū)域內(nèi)無(wú)水、無(wú)電，社會(huì)依托條件差，檢修不便，輸水管運(yùn)行安全性要求較高。輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要根據(jù)輸水管線系統(tǒng)地形地勢(shì)、水源地位置及高程、用水點(diǎn)所處位置及高程等因素，經(jīng)水力計(jì)算及經(jīng)濟(jì)性比選分析，考慮管道系統(tǒng)的安全性和易檢修性、事故供水保障、管道泵閥的水錘保護(hù)、管道負(fù)壓破壞進(jìn)排氣保護(hù)、管線系統(tǒng)造價(jià)，選擇可行和優(yōu)化的輸水方案。

2.1 以肥東縣眾興水廠輸水管線為例

眾興水廠源水管線擴(kuò)建工程位于肥東縣眾興鄉(xiāng)內(nèi)。工程包含眾興水庫(kù)至眾興水廠DN1200mm 源水管線，全長(zhǎng)約6km及取水頭部1 座。本次設(shè)計(jì)源水管道全長(zhǎng)約6km，管線路由原則上沿現(xiàn)狀源水管東側(cè)敷設(shè)（見(jiàn)圖1）。

圖1 一級(jí)泵站至水廠源水管道線路示意圖

眾興水廠服務(wù)肥東縣域供水，供水規(guī)?，F(xiàn)狀1×105t/d，擴(kuò)建1×105t/d，擴(kuò)建后規(guī)模2×105t/d，本次輸水工程對(duì)安全控制要求嚴(yán)格，工程對(duì)取水水源眾興水庫(kù)特征水位、一級(jí)泵站位置及離心泵機(jī)組特征工況、水廠制水構(gòu)筑物進(jìn)水控制高程和沿線地形坡勢(shì)深入分析，對(duì)輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：取水頭部自流進(jìn)入一級(jí)泵站→一級(jí)泵站通過(guò)加壓方式輸送至水廠水處理構(gòu)筑物前端，其中為保證供水保障率，采用2 種方式控制：（1）采用三管并排敷設(shè)的方式，其中，3 根輸水管之間隔一段距離設(shè)連通管，用以保證單管事故時(shí)，不低于70%的供水率；（2）根據(jù)一級(jí)泵站至水廠輸水線路坡勢(shì)分析，輸水管有重力供水的運(yùn)行條件，設(shè)計(jì)輸水管道以不淤流速及事故供水保證率為控制，推算出水力坡度線，部分管段埋深較大，但輸水管線埋設(shè)在水力坡度線以下，可以保證停泵時(shí)50%重力輸水的保障率[1]。

2.2 以桑給巴爾供水項(xiàng)目為例

本工程位于坦桑尼亞桑給巴爾島，新建取水工程、凈水工程、輸配水工程，用以最大程度解決Bamdamaji 地區(qū)人民飲用水匱乏的問(wèn)題，使區(qū)域村落約2 萬(wàn)人得到安全衛(wèi)生的管道飲用水供應(yīng)。

本工程采用深井取水，深水井及凈水廠位于Donge 地區(qū)。輸水工程起點(diǎn)為新建水廠，終點(diǎn)為Bandamaji 地區(qū)高位水池，全長(zhǎng)為4.38km。配水工程起點(diǎn)為高位水池，分4 支配水管線至Bandamaji 地區(qū)各集中供水點(diǎn)，管線全長(zhǎng)6.93km（見(jiàn)圖2）。

圖2 供水管線路由圖

本次設(shè)計(jì)輸水系統(tǒng)從島西部富水區(qū)的Donge 地區(qū)向東輸送至貧水區(qū)的Bandamaji 地區(qū)，線路制高點(diǎn)位于2 個(gè)地區(qū)中部山區(qū)（最高點(diǎn)海拔100m 左右），制高點(diǎn)向東西2 個(gè)地區(qū)坡勢(shì)均勻下降。工程設(shè)計(jì)充分利用地形，于制高點(diǎn)設(shè)高位水池，起到調(diào)節(jié)自來(lái)水供需平衡和儲(chǔ)水的作用，充分利用高差，減少輸水管長(zhǎng)度，降低二級(jí)泵站負(fù)荷，后段的重力配水完全可用地形高差抵消輸水水頭損失，并在供水栓末端保障至少10m 的自由水頭，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全性和節(jié)能效果。

長(zhǎng)距離供水設(shè)計(jì)針對(duì)項(xiàng)目的特異性，根據(jù)業(yè)主的需求，賦予輸水關(guān)鍵點(diǎn)不同的權(quán)重，達(dá)到不同的設(shè)計(jì)效果?？紤]到以安全性和供水保障率為主，一般采用雙管以上平行輸水；考慮到項(xiàng)目建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，采用單管供水，并在中途或終點(diǎn)設(shè)水池調(diào)蓄；便于后期運(yùn)行節(jié)能，盡量利用地形，管道以不淤流速及事故供水保證率為控制，埋設(shè)于設(shè)計(jì)出水力坡度線以下。

3 水力計(jì)算公式選擇及管徑影響

3.1 常用的水力計(jì)算公式

供水工程中的管道水力計(jì)算一般按照均勻流計(jì)算, 目前工程設(shè)計(jì)中普遍采用的管道水力計(jì)算公式有：

達(dá)西（Darcy）公式：

謝才（Chezy）公式：

海曾威廉姆斯（Hazen-Williams）公式：

式（1）～式（3）中，hf為沿程損失，m；λ 為沿程阻力系數(shù)；l為管段長(zhǎng)度，m；d為管道計(jì)算內(nèi)徑，m；g為重力加速度，m/s2；v為流速，m/s ；C為謝才系數(shù)；i為水力坡降；R為水力半徑，m；Q為管道流量，m3/s；Ch為海曾威廉姆斯系數(shù)。

其中，達(dá)西公式、謝才公式對(duì)于管道和明渠的水力計(jì)算都適用。海曾威廉姆斯公式影響參數(shù)較少，作為一個(gè)傳統(tǒng)的公式，在國(guó)內(nèi)外被廣泛用于管網(wǎng)系統(tǒng)的計(jì)算。3 種水力計(jì)算公式中，與管道內(nèi)壁粗糙程度相關(guān)的系數(shù)均是影響計(jì)算結(jié)果的重要參數(shù)。

3.2 公式適用性

3.2.1 達(dá)西公式

達(dá)西公式是基于圓管層流運(yùn)動(dòng)推導(dǎo)出來(lái)的均勻流沿程損失普遍計(jì)算式，該式適用于任何截面形狀的光滑或粗糙管內(nèi)的層流和紊流。公式中沿程阻力系數(shù)λ 值的確定是水頭損失計(jì)算的關(guān)鍵，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出。舍維列夫公式、布拉修斯公式及柯列勃洛克公式等均是針對(duì)工業(yè)管道條件計(jì)算λ 值的著名經(jīng)驗(yàn)公式。

3.2.2 謝才公式

該式實(shí)際是達(dá)西公式的一個(gè)變形式，式（2）中謝才系數(shù)C一般由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出。就謝才公式本身而言，它適用于有壓或無(wú)壓均勻流動(dòng)的各阻力區(qū)，但由于計(jì)算謝才系數(shù)C的經(jīng)驗(yàn)公式只包括反映管壁粗糙狀況的粗糙系數(shù)n和水力半徑R，而沒(méi)有包括流速及運(yùn)動(dòng)黏度，也就是與雷諾數(shù)Re無(wú)關(guān)，因此該式一般僅適用于粗糙區(qū)[2]。

3.2.3 海曾威廉姆斯公式

海曾威廉姆斯公式是在直徑≤3.66m 工業(yè)管道的大量測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立的著名經(jīng)驗(yàn)公式，適用于常溫清水輸送管道，式（3）中海曾威廉姆斯系數(shù)Ch與不同管材的管壁表面粗糙程度有關(guān)。因?yàn)樵撌絽?shù)取值簡(jiǎn)單、易用，也是得到廣泛應(yīng)用的公式之一。此公式適用范圍為光滑區(qū)至部分粗糙過(guò)渡區(qū)。

3.3 管徑對(duì)公式影響

大多供水工程的設(shè)計(jì)按照水溫10℃，運(yùn)動(dòng)黏度1.3×10-6m2/s的條件考慮，因此雷諾數(shù)實(shí)際受流速及管道口徑的影響。大口徑塑料管或塑料內(nèi)襯管不宜采用布拉修斯公式計(jì)算，而更宜于采用適用條件更寬的其他經(jīng)驗(yàn)公式，如柯列勃洛克公式，或應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行修正。采用謝才公式計(jì)算時(shí)，如果管道內(nèi)徑大于2m 時(shí)則不應(yīng)采用曼寧公式計(jì)算謝才系數(shù)。如果采用巴浦洛夫斯基公式，其適用管徑可以達(dá)到12m，適用性更廣泛。海曾威廉姆斯公式簡(jiǎn)單易用，被廣泛運(yùn)用在管網(wǎng)水力計(jì)算中。由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的限制，該公式的實(shí)際適用范圍為紊流光滑區(qū)及部分紊流過(guò)渡區(qū)；對(duì)紊流3 個(gè)區(qū)域均適用的是達(dá)西公式。對(duì)于口徑大于2m 的管道應(yīng)盡量避免采用海曾威廉公式計(jì)算，以策安全。

長(zhǎng)距離輸水管道由于輸送距離長(zhǎng)，減小沿程水力計(jì)算的誤差是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，為保證水力計(jì)算的誤差能控制在合理范圍內(nèi)，計(jì)算內(nèi)徑應(yīng)按不同管道的實(shí)際內(nèi)徑取用。根據(jù)選用管材的不同、管道口徑的差異等設(shè)計(jì)條件，應(yīng)對(duì)管道的水流狀態(tài)進(jìn)行辨別，避免超越水力計(jì)算公式的適用范圍。大口徑管道計(jì)算應(yīng)盡量避免采用海曾威廉公式進(jìn)行計(jì)算，大量試驗(yàn)結(jié)果證明，該式計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工業(yè)管道符合性好，水力條件適用范圍廣。

4 管材選擇

長(zhǎng)距離輸水工程中管道的造價(jià)在整個(gè)工程造價(jià)中占比大，管材的選擇尤為重要，要考慮埋設(shè)的地質(zhì)條件、施工工法、運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等綜合因素。工程中管材及管徑并非從一而終，根據(jù)不同的外部情況和運(yùn)行工況，分段設(shè)計(jì)并選擇不同種類、不同管徑和不同壓力等級(jí)的管材。

以玻利維亞穆通鋼廠供水項(xiàng)目為例：

玻利維亞穆通鋼廠項(xiàng)目位于玻利維亞圣克魯斯省穆通鎮(zhèn)。中鋼設(shè)備有限公司為其新建年產(chǎn)1.94×105t 綜合鋼廠。巴拉圭河供水系統(tǒng)為本項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)。供水項(xiàng)目主要功能為實(shí)現(xiàn)巴拉圭河至穆通鋼廠供水。工程內(nèi)容包含敷設(shè)原水管道1條，總長(zhǎng)約122km，工程根據(jù)不同地質(zhì)條件和施工工藝選擇不同的管材，根據(jù)水力坡度線分段選擇不同公稱壓力等級(jí)的管材，以節(jié)約造價(jià)。

1）項(xiàng)目水廠一級(jí)泵站至二級(jí)泵站段，地勢(shì)平緩無(wú)起伏，屬泛洪平原和洪積準(zhǔn)平原，高程在81～85m：汛期巴拉圭河河水會(huì)淹沒(méi)泛洪平原區(qū)域，形成沼澤，該段落結(jié)合管道沉管施工方式，采用熱熔連接拉伸性能更好的給水用PE 管施工，該段輸水距離約80km；洪積準(zhǔn)平原段地質(zhì)情況較好，采用水損更小的玻璃鋼管（GRP）埋地敷設(shè)，該段輸水距離約20km。根據(jù)一級(jí)泵站至二級(jí)泵站的水力坡度線，分段選擇1.6MPa、1.0MPa和0.8MPa 不同壓力等級(jí)的輸水管。

2）二級(jí)泵站至穆通鋼廠段，地勢(shì)起伏大，制高點(diǎn)高程約190m，山體屬鐵礦巖石段，硬度較大，山谷段屬洪積平原：工程山體段采用玻璃鋼管（GRP）地面上明敷，輔以磚砌蓋板溝做保護(hù)，避免動(dòng)物和落石破壞，該段輸水距離約15km；洪積平原地質(zhì)情況較好，采用水損更小的玻璃鋼管（GRP）埋地敷設(shè)，該段輸水距離約6km。分段選擇2.0MPa、1.6MPa、1.0MPa 和0.8MPa 不同壓力等級(jí)的輸水管。

3）特殊節(jié)點(diǎn)穿越河道段，如黑河等，采用定向鉆拖管過(guò)河，管材采用鋼管連接（見(jiàn)圖3）。

圖3 供水管線系統(tǒng)及管材選用圖

5 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)距離輸水管線目前是解決水資源分布不均和社會(huì)發(fā)展矛盾的主要工程手段，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)輸水系統(tǒng)仔細(xì)分析計(jì)算，認(rèn)真考量業(yè)主的用水需求，工程設(shè)計(jì)方案中對(duì)系統(tǒng)的安全性、易檢修性、事故供水保障、管道泵閥的水錘保護(hù)、管道負(fù)壓破壞進(jìn)排氣保護(hù)、管線系統(tǒng)造價(jià)綜合設(shè)計(jì)比選后，方能確定可行和優(yōu)化的輸水方案。