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摘要：長距離輸水工程是指距離超過10km的用管（渠）道輸送原水、清水的建設工程。一般包括輸水管（渠）道、加壓泵站、管道穿越障礙物措施、附屬設施和管道附件等內容。從輸水線路、輸水方式、管材比選、管線工程設計等方面對輸水工程設計進行了論證。
關鍵詞：長距離輸水；管線布置；管材選擇；輸水建筑物
1工程概況
某輸水工程的主要任務是向金塔縣境內的產業園提供生產及生活用水。年供水量500萬m3，線路長127.25km，工程等別為Ⅰ等。取水點帶壓高程約1496.50m，出口高程1247.3m，供水總落差249.20m。供水線路平均落差1.99m/km，滿足重力自流輸水要求，考慮運行成本，設計中無需考慮加壓輸水，只需按照重力輸水設計。
2輸水線路、輸水方式比選與研究
2.1輸水線路布置與比較
經過現場踏勘選線，結合工程區地形地質條件，擬定了南線、中線、北線三條輸水線路，三條線路起點與末端相同，其中南線線路總長127.25km，中線線路總長113.32km，北線線路總長115.00km。中線線路最短、水力坡降過渡條件最好，但是其線路橫穿金塔縣沙棗園子省級自然保護區核心區，在現有國家政策下，沒有審批通過的條件，以下對南線線路和北線線路進行重點比較。南線方案優點是輸水線路沿沖洪積傾斜平原區和沙丘地帶邊緣布置，地質條件相對較簡單，基本無不良物理地質現象，需進行地基處理地段相對較短；地形坡降變化相對均勻，便于水力控制及消能設施布置，對工程安全運行有利；工程基本不占用耕地，不產生移民。缺點是穿越金塔縣沙棗園子省級自然保護區實驗區和緩沖區，需辦理相關審批手續；線路相對較長，施工用水不便。北線方案優點是管線穿越花海盆地，輸水線路較短；管線通過農業區，前半段施工道路基本具備，施工用電、用水方便，施工過程中生活方便；避開沙棗園子自然保護區。缺點是盆地地形落差大，工程布置困難；細土平原需進行地基處理段相對較長；占用耕地量大，居民點干擾大。經綜合比較分析，北線方案投資較大，并且存在工程布置困難，需占用大量耕地的缺點；而南線線路地形坡降變化相對均勻，便于工程布置，并且基本不占用耕地，不通過居民點。故本階段推薦南線輸水線路。
2.2輸水方式比選研究
2.2.1輸水方式擬定
供水管線根據地形布置，自取水點起向東高程逐步降低，穿過石油河谷后高程有所上升；石油河之后高程一路下降，至管線中段樁號64+716.70m（三九農場南側接近玉門南山省級自然保護區）處，高程降至最低；過南山保護區后在樁號83+574.10m處高程上升至后段最高點，之后在樁號119+017.60m處高程降至最低，然后高程又緩慢上升到達末端金塔廠址。供水管線在石油河以西地形起伏不平，石油河以東整體呈兩個大倒虹吸布置。根據以上管道沿線地形特征，設計擬定有壓重力輸水和有壓無壓結合輸水（有壓重力和無壓重力混合）兩種輸水方式進行設計比較。
2.2.2輸水方案設計
1）有壓輸水方案。有壓輸水方案管線在起點接入有壓流，沿途始終以滿管、有壓方式運行，沿線根據地形高差、坡降變化，分段選用合理管徑和公稱壓力的管道。根據工程管線布置特點，管道沿線設置三處調節水池，把長距離重力流分為三段，在每處調節水池前均設置有調流調壓閥進行消能。有壓方案在樁號39+772.20m、89+888.30、125+528.90m（末端）布置三處消能工，遠程控制機械設備消能。前兩處消能工設置調節水池，末端消能工預留水頭直接進入廠區水處理設施，并分水至廠區調蓄水池。2）有壓無壓結合輸水方案。有壓無壓結合輸水方案管線同樣自起點內供水管道接入有壓流，沿途在地形起伏處以有壓重力流形式運行，在較長的順坡段以無壓流運行，其中有壓流段長84.00km，無壓流段長43.25km。有壓無壓結合輸水方案在樁號12+061.00、15+932.30、49+299.20、83+574.10、93+460.50、127+250.20m（末端）布置六處消能工。其中49+299.20和93+460.50m兩處為無壓流消能工，布置為消力箱；其余四處為有壓流消能工，布置為消能井。有壓無壓結合輸水方案全部采用建筑物消能，不使用機械設備。
2.2.3輸水方式比選
1）管道布置條件。有壓輸水方式可以根據地形落差和壓力水頭，均勻布置消能工，在局部區段可以充分利用地形高差變化，使輸送設計流量時所采用的管徑最小，達到節約管材的目的；可以根據地形敷設管道，基本不受地面起伏影響，土方開挖工程量較小。有壓無壓結合輸水方式在無壓流段必須保持一定的向下縱坡，開挖量較大；輸水管道采用建筑物消能，導致消能工的規模偏大。2）運行管理條件。有壓輸水方式優點是運行靈活，自動化程度高；管理、維護方便。缺點是全程采用機械控制，對設備的依賴度較高，水力機械設備的保養、檢測要求較高，管道保護設備必需年檢，維修。有壓無壓結合輸水的優點是各消能工處靜水頭壓力較小，有利于消能，各消能工直接采用水工建筑物消能，可靠程度較高。缺點是自動化程度較低，水流運行條件較差，管道容易出現明、滿流現象。3）主要工程量及投資比較。經工程量和投資比較，有壓輸水方式工程部分投資較有壓無壓結合輸水方式少12491.12萬元。經綜合比較，確定輸水方式為有壓輸水方式。
3管線工程設計研究
3.1管道設計
管道布置采用“雙管輸水，互為備用”的布置方式。兩條管道采用相同管徑，并行布置，溝埋式設計，管道間防沖刷間距定為15m，管道之間在檢修井前使用連通管連接。供水管道管材選用球墨鑄鐵管標準管件，管徑根據高程落差和水頭損失，選用DN500mm、DN600mm。設計溝底開挖寬度1.45～1.60m，即管道兩側預留0.5m的施工寬度。管槽平均開挖深度2.5m，開挖邊坡：基巖1∶0.2，砂礫石和粉質黏土1∶0.75，粉細砂1∶1.5。為保證管道冬季安全運行，管道埋深必須在凍土層以下，根據氣象資料，工程區最大凍土深度1.50m，因此設計管頂以上回填埋藏深度設計達到2.0m以上。管槽填筑設計：溝底設計20cm厚細礫石墊層，最大粒徑不大于20mm，采用現場開挖料篩分，墊層壓實相對密度不小于0.8；墊層上敷設管道；墊層至管頂以上50cm范圍內采用開挖料夯填，壓實相對密度不小于0.75；管頂50cm以上部分用原開挖料回填至與原地面齊平，并預留沉陷高度20cm，即管頂以上范圍內回填土高出周圍地面20cm。
3.2管道附屬建筑物
單條管道沿線設置3座消能閥室，2座調節水池，22個檢修閥井，16個放空閥井，116個排氣、補氣閥井，3個電磁流量計閥井。1）檢修閥井。為方便檢修，每5～10kmm設置一個檢修閥。每個檢修閥配建一座檢修閥門井，單條輸水管道建設22座檢修閥井，共44座。2）放空閥井。在每個檢修管段，至少設置一個放空閥，放空閥布置于管道低洼處及閥門間管段低處，在管道順坡、無起伏的閥門間管段，放空閥布置于檢修閥井內，管道低洼處單獨配建放空閥井。單條管道與檢修閥并井布置放空閥10個，單獨配建放空閥井16座。共布置32座放空閥井。3）調流調壓閥室。根據工程管線布置特點，管道共設置3處消能設施，采用調流調壓閥進行調流減壓。調流調壓閥選用根據對閥門前后的壓力和流量監測來進行PLC自動控制的調節閥門，其結構型式多樣，減壓和控流性能突出，閥前配套設置全自動管道過濾器。每處調流調壓閥配建一座調流調壓閥室，單條輸水管道設置3座，共布置6座。4）調節水池（平壓水池）。在管線中間兩個消能設施后布置2座調節水池連接上下段管道，調節水池處形成自由水面，實現了管道的完全消能，水池后連接下一級管道，從0水頭開始進行下一級水流輸送。管道末尾消能后直接進入廠區淡水處理廠的水池，不再另建調節水池。
4結語
長距管道離輸水工程一般距離較長、起末點落差較大。在設計過程中要選擇水力過渡條件比較均勻的線路以保證輸水管線運行的穩定，線路沿途需要設置消能工進行分段消能來降低各分段的最大靜水頭提高管線運行的可靠性。管材費用占工程的總投資比例較大，所以選擇性能可靠、經濟合理的管材也是工程設計的重點。
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作者:張宏飛 單位:甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司