出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1985年第1期第29頁(yè)
發(fā)表時(shí)間： ： 1985-1

戴之荷 金善功 賀梅棣

( 中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)院)

摘要：本文在總結(jié)長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的理論分析，著重對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)中的選線(xiàn)原則、方案選擇、管線(xiàn)設(shè)計(jì)、設(shè)備選用、埋深計(jì)算、調(diào)節(jié)水池選用、各類(lèi)閘門(mén)的安裝等提出某些看法，并對(duì)長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)供水保證率計(jì)算等作了論述。

PROBLEMS IN THE DESIGN OF LONG DISTANCE WATER TRANSPORTATION Dai Zhihe； Jin Shangong；He Meidi (China Northwest Municipal Engineering Design Institute)
Abstract
Based on the practical designing experiences and theoretical analysis; the point of views concerning pipe- line selection and designing,devices and reservoir selection, computation of burying depth,valves installation etc.,and also the calculation relating the safety factor of long distance water transportation are advanced in this article.

一、前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)水的需求量日益增加。某些地區(qū)由于就近缺乏水源，必須采用長(zhǎng)距離輸水方式來(lái)解決用水問(wèn)題。
長(zhǎng)距離輸水，管線(xiàn)長(zhǎng)、地形復(fù)雜、具有一定的特殊技術(shù)問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)各工程的具體情況，進(jìn)行妥善的處理。
本文在總結(jié)長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的理論分析，著重對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)中的選線(xiàn)原則、方案選擇、管線(xiàn)設(shè)計(jì)、設(shè)備選用、埋深計(jì)算，調(diào)節(jié)水池選用、各類(lèi)閘門(mén)的安裝和長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)供水保證率計(jì)算等方面作一論述。

二、選線(xiàn)原則:

輸水管線(xiàn)的設(shè)計(jì)，必須以供水安全可靠、工程造價(jià)低、節(jié)省能源、便于施工和有利維護(hù)管理為原則。尤其對(duì)地形復(fù)雜的長(zhǎng)距離輸水工程，合理選線(xiàn)更有重要的經(jīng)濟(jì)意義。其選線(xiàn)原則是:
(一)管線(xiàn)應(yīng)盡量短，并力求利用地形條件采用重力流輸水。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較使所定管線(xiàn)為最經(jīng)濟(jì)合理。
(二)輸水管線(xiàn)應(yīng)盡量避免與各種障礙物交叉；如山谷、河流、鐵路、公路、以及地質(zhì)條件不利的地段。
(三)在礦區(qū)內(nèi)選線(xiàn)時(shí)，應(yīng)模清地下礦藏分布情況，對(duì)采空區(qū)和坍方區(qū)不得敷設(shè)永久性管線(xiàn)。
(四)為防止土壤對(duì)金屬管道的腐蝕，管道應(yīng)避免通過(guò)土壤腐蝕性大、導(dǎo)電率高的地段或沼澤地段，在城市或工礦區(qū)選線(xiàn)時(shí)，要避免雜散電流的影響。
(五)在山區(qū)或丘陵區(qū)選線(xiàn)時(shí)，應(yīng)盡量將輸水管線(xiàn)沿已建的公路一側(cè)埋設(shè)，并力求減少土石方量。
(六)對(duì)純巖石地區(qū)的管線(xiàn)，考慮到管溝需用爆破施工，其線(xiàn)路必須保證與附近高壓供電線(xiàn)、鐵路或居住區(qū)有一定的安全距離。
(七)山區(qū)長(zhǎng)距離輸水選線(xiàn)，還應(yīng)考慮開(kāi)挖與回填的土方量平衡，避免遠(yuǎn)距離運(yùn)送土方，在巖石地區(qū)施工時(shí)，要考慮到沿線(xiàn)就近取土回填的可能。
(八)選擇線(xiàn)路應(yīng)盡量不占或少占良田。

三、方案選擇

長(zhǎng)距離輸水按其輸水方法可分為壓力流輸水與重力流輸水兩大類(lèi)，而在重力流輸水中又可根據(jù)管內(nèi)水流的特點(diǎn)分成無(wú)壓自流式和承壓滿(mǎn)管流兩種。在地形復(fù)雜的情況下有時(shí)可分段采用以上兩種方式。
(一)重力流輸水系統(tǒng)
水源地勢(shì)高于用水地點(diǎn)，而兩處地形高差足以克服輸水管線(xiàn)的水頭損失，又能保證用戶(hù)用水壓力要求時(shí)，可根據(jù)地形、地質(zhì)等自然條件，由水源全部或部分用重力流輸水至用水點(diǎn)。在不能自流的地段，可采用承壓流送水。這種供水方式投資和運(yùn)轉(zhuǎn)管理費(fèi)用最省，是比較理想的供水方式。
(二)壓力流輸水系統(tǒng):
對(duì)于水源地勢(shì)低于用水地點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)地形高差、管線(xiàn)長(zhǎng)度、管材的承壓能力及設(shè)備動(dòng)力情況，沿管線(xiàn)設(shè)置不同數(shù)量的中途加壓泵站，用壓力流輸水至用水點(diǎn)。
在長(zhǎng)距離壓力流輸水設(shè)計(jì)中，本著安全、節(jié)約、便于施工和有利維護(hù)管理的原則，中途加壓泵站的級(jí)數(shù)應(yīng)盡量減少。
加壓泵站之間的內(nèi)部系統(tǒng)，目前大多采用吸水池中斷壓力后，再用水泵提升的形式。吸水池容積主要考慮前后兩級(jí)加壓泵站在運(yùn)轉(zhuǎn)中的流量調(diào)節(jié)因素。這種形式運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，管理方便，但水池之輸水管末端的余壓未能充分利用，浪費(fèi)了能量。在長(zhǎng)距離輸水設(shè)計(jì)中，若取消各加壓泵站的吸水池，利用管道直接連接相鄰兩級(jí)泵站的進(jìn)出水管，只要控制好各級(jí)泵站的啟動(dòng)時(shí)間，運(yùn)轉(zhuǎn)同樣可靠。我院設(shè)計(jì)的某長(zhǎng)距離輸水工程，采用直接串聯(lián)加壓形式，現(xiàn)已有十五年運(yùn)轉(zhuǎn)歷史，情況良好。
對(duì)于山區(qū)，礦區(qū)或新建城市，往往交通不便，供電、供熱、供應(yīng)生活用品等條件比較困難。有的山區(qū)夏季交通受洪水威脅，冬季經(jīng)常大雪封山，給泵站的運(yùn)行和維護(hù)管理帶來(lái)極大的困難。在這種情況下，長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)沿途應(yīng)盡量不設(shè)或少設(shè)泵站，采用高壓輸水系統(tǒng)更為合理。例如某礦區(qū)給水位于山區(qū)，水源地距四十多公里，高差大，地形復(fù)雜，沿途設(shè)泵站的條件困難，采用高壓輸水方案。輸水管設(shè)計(jì)最大工作壓力達(dá)47公斤/厘米 2 。設(shè)計(jì)中采用了高壓自動(dòng)復(fù)位水錘消除器；高壓排進(jìn)氣閥。
該工程于1978年正式投產(chǎn)，做到了一次試水成功。五年來(lái)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)表明，整個(gè)供水系統(tǒng)情況良好。

四、管道設(shè)備的設(shè)計(jì)與選用

(一)高壓自動(dòng)復(fù)位水錘消除器的設(shè)計(jì)與選用
目前，國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的水錘消除器，就其工作性能分析，只適用于工作壓力25公斤/厘米 2 以下的管道。而對(duì)高壓給水系統(tǒng)，尤其對(duì)長(zhǎng)距離輸水，由于管道的始、終點(diǎn)地形高差大，水頭損失多。當(dāng)水錘突然發(fā)生時(shí)，其水錘波的最低壓力，仍會(huì)保持著較高的正壓值。因此，只要求在負(fù)壓或較低壓力才能啟動(dòng)的現(xiàn)行重錘式水錘消除裝置，在這里已不宜使用。
高壓自動(dòng)復(fù)位水錘消除器是當(dāng)給水系統(tǒng)突然停電，管內(nèi)高壓水錘正壓波值返回前的瞬間，利用在逆止閥前后出現(xiàn)的壓差，破壞了消除器保持常閉狀態(tài)的平衡條件，在壓差作用下推動(dòng)閥體內(nèi)的活塞上移，接通泄水管，泄水降壓達(dá)到水錘防護(hù)目的。同時(shí)，考慮山區(qū)長(zhǎng)距離輸水維護(hù)管理的不便，在該系統(tǒng)上安裝自動(dòng)調(diào)節(jié)復(fù)位器。復(fù)位器可調(diào)節(jié)在一定壓力作用下，閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟。隨著管內(nèi)壓力的逐漸回升，壓力水又開(kāi)始向消除器的上、下部空間回流充水。當(dāng)活塞面上的壓差達(dá)到一定值時(shí)，活塞又開(kāi)始向下推移，關(guān)閉泄水管，消除器恢復(fù)到原來(lái)的常閉平衡狀態(tài)。
高壓自動(dòng)復(fù)位水錘消除器，在某山區(qū)長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)安裝使用，經(jīng)過(guò)性能鑒定，證明動(dòng)作靈活。在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中雖然發(fā)生過(guò)幾次突然停電，但未發(fā)生水錘事故，保護(hù)了管線(xiàn)正常運(yùn)行。該設(shè)備在管道上的安裝見(jiàn)圖1

(二)高壓排進(jìn)氣閥設(shè)計(jì)與選用:
長(zhǎng)距離輸水，往往沿線(xiàn)地形較復(fù)雜，管線(xiàn)的坡度起伏變化大。實(shí)踐證明，合理的設(shè)計(jì)與安裝排進(jìn)氣閥，對(duì)保護(hù)管線(xiàn)正常輸水極為重要。
分析現(xiàn)有排氣閥裝置的工作性能；當(dāng)閥體內(nèi)充滿(mǎn)有壓水使浮體封閉排氣管時(shí)，若作用在浮體本身排氣孔軸向由氣壓造成的垂直壓差，超過(guò)浮體本身的自重，這時(shí)，雖在閥體內(nèi)充滿(mǎn)積氣，但浮體不能隨水面下降，積氣無(wú)法排除。
為解決這種矛盾，國(guó)外采用結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的杠桿傳動(dòng)裝置，借助較大的力矩比，使其動(dòng)作靈活可靠。這種設(shè)備雖然較輕便，但其適應(yīng)的工作壓力仍較低。我院本著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，適用高壓系統(tǒng)的原則，在某長(zhǎng)距離輸水工程中，設(shè)計(jì)使用了一種高壓自動(dòng)排進(jìn)氣裝置。其工作原理為:
1.閥內(nèi)浮體自重應(yīng)小于浮體本身的浮力，從而保證當(dāng)管線(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)，排進(jìn)氣閥處于常閉狀態(tài)。
2.排進(jìn)氣孔的選定，應(yīng)根據(jù)在閥體內(nèi)充滿(mǎn)積氣后，水面下降時(shí)，浮體借自重能克服此時(shí)所受的軸向垂直壓差而下移，并能保證一定的排進(jìn)氣強(qiáng)度。
3.根據(jù)長(zhǎng)距離高壓管線(xiàn)各設(shè)計(jì)管段的壓力，能調(diào)整排進(jìn)氣閥浮體的自重。
為滿(mǎn)足上述的幾點(diǎn)要求，高壓自動(dòng)排進(jìn)氣閥中，浮體的設(shè)計(jì)條件式應(yīng)為:

五、管道埋深的計(jì)算與確定

在長(zhǎng)距離輸水中，管道的工程量和投資，都占有較大的比重。而管道埋深又與工程造價(jià)直接有關(guān)。尤其在我國(guó)北方山區(qū)，該問(wèn)題更應(yīng)引起重視。
目前，對(duì)給水管道埋深的計(jì)算，仍是以埋設(shè)深度大于當(dāng)?shù)赝寥雷畲髢鼋Y(jié)深度。但該方法缺乏足夠的理論依據(jù)。
我院對(duì)各種土壤的凍結(jié)深度和不同埋深的動(dòng)靜水給水管道進(jìn)行了連續(xù)凍結(jié)實(shí)驗(yàn)。對(duì)土壤凍結(jié)深度的計(jì)算方法、管道埋深的確定，提出了不同的論點(diǎn)。對(duì)由水流作用下，在管壁四周產(chǎn)生不凍層的計(jì)算理論，給水管道凍結(jié)時(shí)間和埋深的關(guān)系等進(jìn)行了全面分析。實(shí)際觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，由于現(xiàn)行方法從非熱平衡條件出發(fā)，并忽略了埋深、不凍層厚度和凍結(jié)時(shí)間的相互關(guān)系，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的誤差較大。
此外，對(duì)長(zhǎng)距離輸水埋深的計(jì)算，還要考慮在已確定的供水保證率前提下，允許停水時(shí)間和管道凍結(jié)歷時(shí)的關(guān)系等因素。
以H代表長(zhǎng)距離輸水管道埋深；h代表當(dāng)?shù)赝寥赖淖畲髢鼋Y(jié)深度；T W 、T A 代表管內(nèi)水溫和地區(qū)最低氣溫；λ 0 、λ i 代表自然土壤和凍結(jié)土壤的熱傳導(dǎo)系數(shù)；D 1 、D 2 代表管徑和不凍層直徑；n代表土壤含水率；r代表土壤容重；K、ζ為計(jì)算系數(shù)。則管道埋深計(jì)算公式為:
H=K·(1-β)·h


t A :為冬季日平均最低溫度(度)，可由各地氣象資料中查得。
如上所述，當(dāng)其它條件已定時(shí)，管道埋深直接與凍結(jié)時(shí)間有關(guān)。而在長(zhǎng)距離輸水設(shè)計(jì)中，為滿(mǎn)足一定的設(shè)計(jì)保證率，有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)允許斷水時(shí)間(t)，但只要能滿(mǎn)足條件:
t可以認(rèn)為，這樣確定的管道埋深是經(jīng)濟(jì)合理的，在實(shí)際工程中，也可根據(jù)當(dāng)?shù)氐囊延匈Y料，求出Σ-T m 、K 1 值，利用已繪制的給水管道埋深計(jì)算圖表(見(jiàn)圖3)直接查出相應(yīng)的埋深H值。

本計(jì)算方法在我院所設(shè)計(jì)的某長(zhǎng)距離輸水工程中應(yīng)用后，所確定的管道埋深，比用現(xiàn)行方法計(jì)算減少20～25%。

六、幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題

(一)長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)根數(shù)與供水保證率:
長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)的供水保證率計(jì)算，是個(gè)新課題，它與輸水管線(xiàn)根數(shù)；單管輸水能力；各條管線(xiàn)之間連通管根數(shù)；設(shè)計(jì)管段事故檢修和恢復(fù)供水的時(shí)間等因素有關(guān)。據(jù)有關(guān)資料分析，對(duì)長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)而言，出現(xiàn)斷水事故機(jī)遇(Λ)，與輸水管根數(shù)(N)，中間連通管數(shù)目(n)，檢修恢復(fù)供水時(shí)間(t)，和各分段檢修管的事故次數(shù)(λ 1 )的關(guān)系，可用下式表示:

不言而喻，上式時(shí)間因素t值的大小，應(yīng)該是和在一定供水保證率前提下的允許斷水時(shí)間相一致的。
對(duì)整個(gè)長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)的供水保證率計(jì)算表明；如果我們把輸水管線(xiàn)出現(xiàn)的斷水事故，或?qū)υ撌鹿实臋z修恢復(fù)供水歷時(shí)作為變量，其輸水系統(tǒng)的供水保證率計(jì)算式為:
ρ=e At (%)。
在一般情況下，對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程而言，事故斷水后，檢修和恢復(fù)供水時(shí)間可選用下表數(shù)值:

輸水管線(xiàn)根數(shù)的選擇，應(yīng)視管道輸水能力；近遠(yuǎn)期的供水量規(guī)劃；線(xiàn)路長(zhǎng)度；施工條件及備用水源情況等因素，經(jīng)綜合經(jīng)濟(jì)比較確定。
實(shí)踐證明、長(zhǎng)距離輸水中，一般采用單管線(xiàn)輸水方式，但為保證安全供水，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)供水保證率的要求，一般采用建安全調(diào)節(jié)水池的措施，其調(diào)節(jié)水池的最小容積為:
W=αQ 0 t(米 3 )
式中:α——允許事故供水流量減少系數(shù)；對(duì)生活用水α為0.7～0.75；對(duì)生產(chǎn)用水α應(yīng)視工藝要求而定。
Q 0 ——設(shè)計(jì)流量；
t——由供水保證率所決定的允許斷水時(shí)間。
此外，在單線(xiàn)長(zhǎng)距離高壓輸水系統(tǒng)中，由于水錘的威脅較為嚴(yán)重，為提高輸水系統(tǒng)的供水保證率，在長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)的局部水力條件不利管段上，采用增設(shè)局部環(huán)狀復(fù)線(xiàn)。
(二)長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)各類(lèi)閘閥的安裝:
對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)上的閘閥，如排氣閥、進(jìn)氣閥、泄水閥和干線(xiàn)閘閥的安設(shè)位置，國(guó)內(nèi)外看法不一。我們的看法是；各類(lèi)管線(xiàn)閘閥的安裝位置，應(yīng)根據(jù)管線(xiàn)長(zhǎng)度、地形變化情況、管徑大小等因素而定，更主要的還應(yīng)與已選定供水保證率所限制的允許斷水時(shí)間內(nèi)所確定的各檢修管段的長(zhǎng)度相適應(yīng)。
對(duì)于常見(jiàn)的單管長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)，其檢修管段長(zhǎng)度，一般不大于3公里。在山區(qū)長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)中，地形起伏多，當(dāng)在相鄰兩處高地的距離接近于檢修管段長(zhǎng)度時(shí)，在其間仍有一些局部較小的起伏，但仍在檢修段的兩端安裝閘門(mén)。并于閘門(mén)兩側(cè)分別安裝排進(jìn)氣閥。而在其最低處安裝泄水閥門(mén)。
對(duì)于地勢(shì)比較平緩的長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)，則應(yīng)在檢修管段的始終端，分別將排進(jìn)氣閥、泄水閥和管線(xiàn)閘門(mén)安裝在同一節(jié)點(diǎn)閘門(mén)井(室)內(nèi)。
為在長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)上削弱水錘的威脅，可在一定的距離上用單向閥來(lái)代替管線(xiàn)閘門(mén)。
(三)長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)中調(diào)節(jié)池的選用:
調(diào)節(jié)池在長(zhǎng)距離輸水系統(tǒng)中起著非常重要的作用；它不僅能調(diào)節(jié)水量，起到安全水池的效應(yīng)，同時(shí)也能起到調(diào)壓水池的作用。在長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)中，必須合理地選用。
在實(shí)際工程中，可采用調(diào)壓水池與安全水池合建的形式。
對(duì)于重力流輸水系統(tǒng)，利用調(diào)節(jié)水池，對(duì)管道壓力線(xiàn)的控制與劃分，提出以下看法:
1.充分利用地形高差，用調(diào)節(jié)水池分段輸水，在允許流速范圍內(nèi)，減小管徑。
2.盡可能減少管道的動(dòng)、靜水壓差。
3.水池的位置應(yīng)保證防止管道水壓坡降線(xiàn)與管線(xiàn)的交叉，避免負(fù)壓管段出現(xiàn)。
4.在系統(tǒng)中，必須保證(下轉(zhuǎn)37頁(yè))(上接33頁(yè))多水池間的水位平衡與穩(wěn)定。
(四)長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)穿越設(shè)施的選用:
由于地形條件的限制，長(zhǎng)距離輸水管線(xiàn)經(jīng)常會(huì)遇到一些障礙地段。例如:河溪、溝谷、獨(dú)山、山口、山嘴、路面等。對(duì)此，在無(wú)法繞過(guò)避開(kāi)的情況下，必須采取局部管道的穿越措施。
輸水管線(xiàn)必須越過(guò)河溪、洪溝時(shí)，首先應(yīng)考慮利用已有跨越構(gòu)筑物的可能，如已建的橋梁、堤壩、路基等，必須新建管線(xiàn)跨越設(shè)施時(shí)，應(yīng)根據(jù)河道斷面特點(diǎn)，水文地質(zhì)情況和施工條件等因素而定。
一般說(shuō)來(lái)，對(duì)于水位較淺，跨度較大而且沖刷不嚴(yán)重的平緩穩(wěn)定河谷，宜采用倒虹管穿越。同時(shí)，應(yīng)在河谷主流段的管頂，加設(shè)局部防沖刷加固措施。
對(duì)于山區(qū)內(nèi)的澗溪溝谷，要根據(jù)不同的情況，采取各種跨越措施。
當(dāng)管線(xiàn)穿過(guò)溝面狹窄，溝底深陡，且洪水威脅較大而平時(shí)泄流較多的洪溝時(shí)，采用懸索管橋跨越形式，當(dāng)管線(xiàn)穿過(guò)溝面較開(kāi)闊，平時(shí)泄流不大，洪水威脅較小的洪溝時(shí)，則采用溝面設(shè)立柱加斜吊桿的管橋跨越形式。
當(dāng)輸水管線(xiàn)遇到獨(dú)山、山脊或山嘴時(shí)，應(yīng)從遠(yuǎn)處以較小的轉(zhuǎn)角繞過(guò)。有時(shí)，為縮短管線(xiàn)長(zhǎng)度，要直行穿過(guò)時(shí)，可選擇最近距離兩點(diǎn)間開(kāi)挖隧洞。同時(shí)，應(yīng)處理好洞內(nèi)保溫防凍防坍落石方，和泄空檢修等措施。
從長(zhǎng)距離輸水工程實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況分析，以上的各種局部管段，是在運(yùn)行中容易發(fā)生事故的地方，因此，設(shè)計(jì)中對(duì)于這些局部管段的安全防護(hù)措施，如:管道保溫處理；防洪水沖刷措施；防溫差作用管道伸縮問(wèn)題的處理；以及防止外部機(jī)械性損傷等技術(shù)措施。都應(yīng)予以重視和妥善解決。