陳 會，肖 燁

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，湖北 武漢 430070)

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，建設(shè)引調(diào)水工程越來越成為緩解區(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。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能，不需要外界提供動力、清潔節(jié)能、運行管理方便簡單。重力流輸水從水力學角度可分為無壓重力流輸水和有壓重力流輸水[1]。無壓重力流輸水明渠需要采用較大的過水斷面，水頭損失較大，且沿線永久占地問題難以解決。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。相比于無壓流輸水已在實踐中積累了豐富的設(shè)計和施工經(jīng)驗，重力流輸水管道，尤其是長距離低水頭有壓重力流輸水工程，由于工程實例并不多見，許多問題尚需要在實踐中研究解決。

本文以實際工程為基礎(chǔ)，探尋長距離低水頭有壓重力流輸水管道的設(shè)計方案，對輸水管材、管徑進行綜合比選。

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，導致澤口灌區(qū)灌溉保證率下降，設(shè)計水平年保證率達不到設(shè)計要求。為恢復澤口供水區(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，恢復和增加通順河等主要河流水環(huán)境容量和質(zhì)量，實施引隆補水工程規(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區(qū)，輸水終點位于澤口灌區(qū)深江新閘后1.5 km處，線路總長約40.1 km。取水口水位35.70 m，受水點水位27.51 m，水頭差僅為8.19 m，設(shè)計流量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)計方案

2.1 管材種類

根據(jù)類似工程經(jīng)驗，特別是近幾年我國引進大量的新型管材和新的生產(chǎn)工藝后，大型長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，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?，管材的比選與管徑的選擇是密切關(guān)聯(lián)的。

國內(nèi)球墨鑄鐵管最大口徑為DN2600。PCCP標準[2]和玻璃鋼管標準[3]中最大管徑均可達到DN4000。國內(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，標準最大口徑玻璃鋼管未在工程實踐中進行檢驗。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，國內(nèi)采用盾構(gòu)法敷設(shè)大口徑輸水管道的工程實例漸次出現(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，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，但管道造價相應(yīng)會增加。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。

計算管道沿程水頭損失，對于沿程均一管徑的管道沿程水頭損失按下式計算：

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、轉(zhuǎn)彎較多，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%進行估算[7]。編制Excel水力計算表格，采用經(jīng)濟水頭損失的方法計算經(jīng)濟管徑。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，以此計算的管徑即為經(jīng)濟管徑，工程投資最小。PCCP管的計算原則為按照目前國內(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。為與國內(nèi)盾構(gòu)機工作面直徑相適應(yīng)，同時也為減少盾構(gòu)設(shè)備費用，盾構(gòu)法敷設(shè)混凝土輸水管僅對單管和雙管方案進行計算，見表1。

表1 輸水管道水頭損失計算

經(jīng)計算可知，若采用2根PCCP管，管徑取標準中最大值DN4000時，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，總水頭損失明顯減小，達到重力流輸水條件。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，未利用水頭達1.11 m，尚不經(jīng)濟。盾構(gòu)法敷設(shè)混凝土輸水管時，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。

2.3 投資對比及方案選擇

通過管材、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，在輸水線路總長度上進行分攤，得出各方案的單位線路長度投資對比見表2。

表2 輸水管道方案投資對比

PCCP管方案投資最大，主要原因在于：①PCCP管需通過埋管法布設(shè)輸水管道，土方開挖回填工程量大；②管槽開口線寬度估計約50 m，臨時占地面積大、拆遷補償成本較高；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，基坑開挖穩(wěn)定邊坡須緩于1∶2，受施工機械振動、降雨等影響，基坑邊坡易產(chǎn)生滑移，臨時排水及邊坡處理工程量較大。同時，由于管道沿線基本農(nóng)田遍布，臨時征用、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)模臨時占地。采用盾構(gòu)法施工，按工程地質(zhì)條件進行設(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，選用泥水加壓平衡盾構(gòu)技術(shù)可以有效穩(wěn)定開挖面地層，降低對地層的擾動，且通過泥水形成的泥膜有效地防止涌水，通過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險[9]。

相比于單管方案，雙管方案的優(yōu)勢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段對管道進行全面檢修維護，進一步減小管道故障率，進而提高其輸水可靠度。

基于以上對比分析可知，不論是從經(jīng)濟角度還是從風險控制角度來看，盾構(gòu)法單管方案都更適用于本工程長距離低水頭有壓重力流輸水的特點。

3 結(jié) 語

1)在長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)過管材、管徑綜合比選。長距離有壓重力流輸水經(jīng)濟管徑的確定原則是既能滿足減少水頭損失以實現(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，但管道造價相應(yīng)會增加，應(yīng)通過計算合理選擇經(jīng)濟管徑。

3)PCCP管、玻璃鋼管等國內(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)用工程實例亦不多；而盾構(gòu)法敷設(shè)輸水管道可達到更大管徑，近年來在輸配水工程中應(yīng)用日趨成熟。長距離低水頭輸水對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。

4)本文基于長距離低水頭有壓重力流輸水工程規(guī)劃及可研階段資料，進行了前期管道設(shè)計方案比選，為類似工程提供了參考。實際工程中應(yīng)隨著設(shè)計階段的深入和設(shè)計資料的完善，進一步復核、確定設(shè)計方案。