陳涌城
中國市政長程華北設(shè)計(jì)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(dān)在建長距離輸水工程實(shí)例，論述長距離輸水工程管材的選擇，水錘的防護(hù)技術(shù)與安全措施，經(jīng)濟(jì)流速的計(jì)算與經(jīng)濟(jì)管徑的確定方法。

　　華北設(shè)計(jì)院自78年以來承擔(dān)和參加國內(nèi)大型長距離輸水工程累積18項(xiàng)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(shè)計(jì)或正在施工中尚有8項(xiàng)，列表如下：

長距離輸水工程在建項(xiàng)目表 序號 工程名稱 工程簡介 工程進(jìn)展情況 1 邯鄲市“岳濟(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土管長36km，DN1400預(yù)應(yīng)力混凝土管20km。輸水線路走向同一期 施工圖設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土管，工壓0.6Mpa，L=12km；DN900預(yù)應(yīng)力混凝土管，工壓0.6Mpa，L=12.17km 正在進(jìn)行管材與施工隊(duì)伍的招投標(biāo)。 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(yù)應(yīng)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(shè)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土管，工壓0.4Mpa，長16.47km。 取水泵站正在建設(shè)，二根球墨鑄鐵管敷設(shè)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(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土管，工壓0.6Mpa，管道長18.68km。2）遠(yuǎn)期規(guī)模10萬m3/d，工壓0.6Mpa，采用DN1200預(yù)應(yīng)力混凝土管，管道長18.68km。 施工圖設(shè)計(jì)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(yù)應(yīng)力混凝土管，管道長16km。 計(jì)劃開工

　　在華北院承擔(dān)18項(xiàng)長距離輸水工程中，其中有7項(xiàng)屬重力流輸水，11項(xiàng)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(nèi)容?！耙秊慈虢颉惫こ涕L234km（自大黑汀水庫至天津市內(nèi)）。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(diào)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(shè)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(jìn)度與重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地質(zhì)情況，當(dāng)?shù)毓懿牡纳a(chǎn)狀況，應(yīng)用管材的習(xí)慣，特別是工程的資金的落實(shí)情況，而后進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、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(zhì)自然狀況不一樣，經(jīng)濟(jì)形勢與應(yīng)用管材的歷史狀況也不一樣，而每項(xiàng)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(yīng)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(jì)技術(shù)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(jì)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，特別這幾年我國引進(jìn)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(yīng)力砼管與予應(yīng)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(hù)技術(shù)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(shù)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(nèi)外研究與防護(hù)的重要內(nèi)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(diào)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(jìn)行認(rèn)真的分析研究，呼和浩特引黃工程在設(shè)計(jì)階段就聘請有經(jīng)驗(yàn)部門對水泵不同的工況進(jìn)行水錘分析計(jì)算和研究，一方面解決設(shè)計(jì)中的問題，同時也對將來的運(yùn)行提出要求。
　　長距離輸水工程中應(yīng)充分的認(rèn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)裝置觀測到的竟達(dá)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(yùn)行時，實(shí)際上是水氣兩相流。因此在長距離輸水管道設(shè)計(jì)時，應(yīng)依據(jù)輸水管道的縱向布置，分析研究計(jì)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(shè)計(jì)時一般人維的把管線布置成一個高點(diǎn)，設(shè)置排氣閥，而且水平距段根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般在600m～1000m設(shè)置一處。另外排氣閥的選擇也很重要，因?yàn)楣艿乐羞\(yùn)行時，水在管道中的狀態(tài)很復(fù)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(tuán)流、泡沫流、環(huán)狀流，由于水流流態(tài)的復(fù)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(yīng)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(dāng)?shù)脑O(shè)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(shè)計(jì)時，采用安全、合理、經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)措施，效果較好，但不能做到全部去除，因此在管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也有所考慮。我國的給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(報(bào)批稿)中已明確，管道的設(shè)計(jì)內(nèi)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(jì)流速與經(jīng)濟(jì)管徑的選擇

　　長距離輸水工程經(jīng)濟(jì)管徑的確定，關(guān)系著輸水工程的合理性和工程的總造價。在經(jīng)過技術(shù)方案的論證、優(yōu)化選擇了最佳方案后，尚要進(jìn)行管材的論證比較，然后再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)流速的計(jì)算，確定經(jīng)濟(jì)管徑。
　　經(jīng)濟(jì)流速的計(jì)算方法種類很多，各國都有不同的計(jì)算方法。一般講有采用公式直接計(jì)算的，有采用基建投資+20年電費(fèi)(有的也采用10年電費(fèi))進(jìn)行計(jì)算比較的。改革開放以來，我們與國外接觸交流頻繁，引進(jìn)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(xiàng)目中應(yīng)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(fèi)單價(元/度)
　　i：投資收益率(%)，我國一般取6～10%。
　　N：計(jì)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(xiàng)目在進(jìn)行輸水管道的經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算，確定經(jīng)濟(jì)管徑時一般采用該公式，為了能較好的反映電費(fèi)的變動，并對年電費(fèi)的數(shù)值取影子電費(fèi)，這樣可更切合工程的實(shí)際狀況。
　　(2) 凈現(xiàn)值法
　　W=C+[(1+i)^N·i/(1+i)^N-1]·A
　　W：費(fèi)用總值（元）
　　C：管道初期建設(shè)投資(元)
　　A：年經(jīng)營費(fèi)（元），即電費(fèi)、折舊費(fèi)、大修費(fèi)總和
　　N：計(jì)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(jì)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(jì)發(fā)展和人類的活動、環(huán)境的污染也漸嚴(yán)重，很多地區(qū)附近的水不能應(yīng)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(shù)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(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行管理方面的問題應(yīng)加強(qiáng)研究。