陳涌城
中國市政長程華北設計研究院
天津市河西區(qū)氣象臺路99號 郵政編碼 300074

　　提要：概述華北院承擔在建長距離輸水工程實例，論述長距離輸水工程管材的選擇，水錘的防護技術與安全措施，經(jīng)濟流速的計算與經(jīng)濟管徑的確定方法。

　　華北設計院自78年以來承擔和參加國內大型長距離輸水工程累積18項之多，如天津市“引灤入津”工程，大連市“引碧入連”工程，石家莊引崗黃水庫水工程等等，目前正在設計或正在施工中尚有8項，列表如下：

長距離輸水工程在建項目表 序號 工程名稱 工程簡介 工程進展情況 1 邯鄲市“岳濟邯”工程（二期） 岳城水庫至鐵西水廠，管道總長56km（重力流），規(guī)模10萬m3/d，工壓0.4-0.5Mpa，采用DN1200預應力混凝土管長36km，DN1400預應力混凝土管20km。輸水線路走向同一期 施工圖設計階段 2 長治市辛安引水工程（二期） 辛安水源至長治水廠輸水規(guī)模8.64萬m3/d(lm3/s)，采用DN1000鋼管，δ=10mm，工壓1.8Mpa，L=12km；DN1000預應力混凝土管，工壓0.6Mpa，L=12km；DN900預應力混凝土管，工壓0.6Mpa，L=12.17km 正在進行管材與施工隊伍的招投標。 3 衡水市“引湖入衡”工程 衡水湖至衡水市水廠，規(guī)模10萬m3/d，工壓0.4Mpa，采用2根DN800預應力混凝土管，管長L=9.8km(其中穿越河道采用鋼管) 取水工程正在施工，取水管道已敷設6km。 4 呼和浩特市引黃供水工程 黃河浦灘拐至金河水廠，總長82.16km1）二道洼水庫上段，規(guī)模40萬m3/d，采用二根DN1600球墨鑄鐵管，長2.73km，工壓0.8Mpa；采用DN2000PCCP管（預應力鋼套筒混凝土管），長62.96km，工壓0.6Mpa。2）二道洼水庫下段（重力流），規(guī)模20萬m3/d，采用二根DN2000預應力混凝土管，工壓0.4Mpa，長16.47km。 取水泵站正在建設，二根球墨鑄鐵管敷設完畢，PCCP管與PCP管正在施工。 5 溫州珊溪水庫樞紐供水工程 1）陳岙泵站至浦東隧洞，規(guī)模34.1萬m3/d，工壓0.6Mpa，采用DN1800鋼管，δ=16mm，長12km（西線）2）陳岙泵站至狀元水廠，規(guī)模39.6萬m3/d，工壓0.6Mpa，采用DN2000鋼管，δ=18mm，長22km（東線） 陳岙泵站建完，西線工程開始，東線管道施工圖設計完成。 6 唐山市陡河水庫供水工程 陡河水庫至唐山市水廠1）近期規(guī)模15萬m3/d，采用DN1400預應力混凝土管，工壓0.6Mpa，管道長18.68km。2）遠期規(guī)模10萬m3/d，工壓0.6Mpa，采用DN1200預應力混凝土管，管道長18.68km。 施工圖設計階段 7 大連莊河市朱隈水庫供水工程 朱隈水庫至水廠（重力流）規(guī)模10萬m3/d，工壓0.4Mpa，采用二根DN1000預應力混凝土管，管道長16km。 計劃開工

　　在華北院承擔18項長距離輸水工程中，其中有7項屬重力流輸水，11項屬壓力流輸水。從節(jié)約能源的角度考慮，有條件的情況下，采用重力流的形式是合理的。長距離輸水工程的輸水方式較多，天津市“引灤入津”工程比較典型，該工程幾乎包括了長距離輸水各種型式和內容?！耙秊慈虢颉惫こ涕L234km（自大黑汀水庫至天津市內）。工程包括開挖長11.38km規(guī)模60m3/s的隧洞；利用并整治加固57.6km的天然河道-黎河，利用加固已有的庫容15.59億m3的于橋水庫，利用整治56.0km卅河；開挖規(guī)模50m3/s長44km與規(guī)模30m3/s長26km專用輸水明渠；新建4500萬m3爾王莊調蓄水庫；新建規(guī)模20m3/s長26km二孔斷面為3.35m×3.35m的砼暗渠；敷設規(guī)模110萬m3/d管徑DN2500長10.67km和規(guī)模55萬m3/dDN1800長3.67km的鋼管；新建50萬m3/d新開河水廠。

一、長距離輸水工程管材的選擇

　　在長距離輸水工程中，管材的選擇一般要根據(jù)工程的規(guī)模，管道的工作壓力，輸水距離的長短，工程的進度與重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地質情況，當?shù)毓懿牡纳a(chǎn)狀況，應用管材的習慣，特別是工程的資金的落實情況，而后進行技術、經(jīng)濟、安全等方面論證綜合比較后確定。
　　我國地域廣闊，各地區(qū)的地形地質自然狀況不一樣，經(jīng)濟形勢與應用管材的歷史狀況也不一樣，而每項工程又都具有自己的特殊性，因此長距離輸水工程管材的應用也是多種多樣的。某一種管材在一個地方、一個工程被選用，其經(jīng)濟技術方面的合理性，而在另一個地方、另一個工程就不一定合理，這就形成市場經(jīng)濟的今天，出現(xiàn)各種不同管材的競爭原因之一。
　　根據(jù)我們參加長距離輸水工程設計經(jīng)驗，特別這幾年我國引進大量的新型管材和新的生產(chǎn)工藝，管材的優(yōu)化尤為重要。目前長距離輸水工程大都在鋼管、球墨鑄鐵管、予應力砼管與予應力鋼筒砼管、玻璃鋼管等方面選擇。

二、長距離輸水工程水錘的防護技術與安全措施

　　凡是有泵及壓力管道的地方就會有水錘，因此水錘是長距離輸水工程的一個重要的技術問題，也是造成工程事故的一個主要原因。
　　對泵站及管路系統(tǒng)的水錘問題是國內外研究與防護的重要內容。長距離輸水采用壓力流輸水時，在泵站系統(tǒng)為防止水錘的危害，一般采用調壓井(雙向、單向)，水錘消除器、液控蝶閥、緩閉止回閥、旁通管泄壓等形式。另一方面長距離輸水管道較長，起動水泵時引起水錘造成管道破壞的現(xiàn)象也較多。因此大都要進行認真的分析研究，呼和浩特引黃工程在設計階段就聘請有經(jīng)驗部門對水泵不同的工況進行水錘分析計算和研究，一方面解決設計中的問題，同時也對將來的運行提出要求。
　　長距離輸水工程中應充分的認識到水柱彌合水錘的危害。在長距離輸水管道中，流速變化是經(jīng)常出現(xiàn)的，管道中水流速度變化時，致使管道中水壓力的升高或降低，在壓力低于水的氣化壓力時，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔，在空腔處的水流彌合時將產(chǎn)生強烈的撞擊，管道中的水升壓，則就形成斷流彌合水錘，彌合水錘升值很大，在實驗裝置觀測到的竟達到工作壓力的2-4倍，因此其對輸水安全性的危害很大。
　　水在輸水管道運行時，實際上是水氣兩相流。因此在長距離輸水管道設計時，應依據(jù)輸水管道的縱向布置，分析研究計算可能出現(xiàn)的不同工況下水的流動狀態(tài)，選擇合適的位置(一般在駝峰處)布置一定數(shù)量的排氣閥，在管線的水平段，排氣的問題更突出，因此在設計時一般人維的把管線布置成一個高點，設置排氣閥，而且水平距段根據(jù)經(jīng)驗一般在600m～1000m設置一處。另外排氣閥的選擇也很重要，因為管道中運行時，水在管道中的狀態(tài)很復雜。根據(jù)國外水錘研究者提供氣水兩相流可分為六種流態(tài)，即層狀流、波狀層、段塞流、氣團流、泡沫流、環(huán)狀流，由于水流流態(tài)的復雜性，也就產(chǎn)生了排氣的困難，因此除了確定排氣閥的合理數(shù)量，合適位置，對排氣閥種類與性能也應充分重視。
　　近年來為保證輸水安全，特別是防止水柱彌合水錘過壓產(chǎn)生的危害，在輸水管道中適當?shù)脑O置超壓泄壓閥(也稱為壓力波動予止閥)效果較好。
　　長距離輸水工程中在工藝設計時，采用安全、合理、經(jīng)濟的水錘防護措施，效果較好，但不能做到全部去除，因此在管道的結構設計中也有所考慮。我國的給水排水管道結構設計規(guī)范(報批稿)中已明確，管道的設計內壓力為管道工作壓力的1.4～1.5倍。主要解決管道的試壓與管道產(chǎn)生的殘余水錘的危害。保證輸水工程的安全。

三、經(jīng)濟流速與經(jīng)濟管徑的選擇

　　長距離輸水工程經(jīng)濟管徑的確定，關系著輸水工程的合理性和工程的總造價。在經(jīng)過技術方案的論證、優(yōu)化選擇了最佳方案后，尚要進行管材的論證比較，然后再進行經(jīng)濟流速的計算，確定經(jīng)濟管徑。
　　經(jīng)濟流速的計算方法種類很多，各國都有不同的計算方法。一般講有采用公式直接計算的，有采用基建投資+20年電費(有的也采用10年電費)進行計算比較的。改革開放以來，我們與國外接觸交流頻繁，引進了較為流行的動態(tài)法。動態(tài)法種類也有不同的形式，目前我們在亞行、世行、日元貸款項目中應用年值法與凈現(xiàn)法較多。
　　(1) 年值法
　　公式：
　　A=1.4Q·H·S+[(1+i)ⁿ·i/(1+i)^N-1]·C
　　A：管線年成本(元/米·年)
　　Q：管線流量(立米/日)
　　H：每1米長管線水頭損失(米/米)
　　S：電費單價(元/度)
　　i：投資收益率(%)，我國一般取6～10%。
　　N：計算年限 N值一般取20年
　　C：單位長度管道綜合投資（元/米）
　　利用亞行貸款項目在進行輸水管道的經(jīng)濟流速計算，確定經(jīng)濟管徑時一般采用該公式，為了能較好的反映電費的變動，并對年電費的數(shù)值取影子電費，這樣可更切合工程的實際狀況。
　　(2) 凈現(xiàn)值法
　　W=C+[(1+i)^N·i/(1+i)^N-1]·A
　　W：費用總值（元）
　　C：管道初期建設投資(元)
　　A：年經(jīng)營費（元），即電費、折舊費、大修費總和
　　N：計算年限，N值一般可取20年
　　i：投資收益率，我國一般取6-10%。
　　由于經(jīng)濟的發(fā)展，我國各個地區(qū)用水量都普遍的增加，而另一方面，由于經(jīng)濟發(fā)展和人類的活動、環(huán)境的污染也漸嚴重，很多地區(qū)附近的水不能應用（如溫州市），這樣就使長距離輸水工程近些年來發(fā)展很快，長距離輸水工程的許多技術問題都有待更深入的研究和提高，上述幾方面的僅為幾個部分，還有一些設計、施工、運行管理方面的問題應加強研究。