摘要：长距离输水工程是指距离超过10km的用管（渠）道输送原水、清水的建设工程。一般包括输水管（渠）道、加压泵站、管道穿越障碍物措施、附属设施和管道附件等内容。从输水线路、输水方式、管材比选、管线工程设计等方面对输水工程设计进行了论证。
关键词：长距离输水；管线布置；管材选择；输水建筑物
1工程概况
某输水工程的主要任务是向金塔县境内的产业园提供生产及生活用水。年供水量500万m3，线路长127.25km，工程等别为Ⅰ等。取水点带压高程约1496.50m，出口高程1247.3m，供水总落差249.20m。供水线路平均落差1.99m/km，满足重力自流输水要求，考虑运行成本，设计中无需考虑加压输水，只需按照重力输水设计。
2输水线路、输水方式比选与研究
2.1输水线路布置与比较
经过现场踏勘选线，结合工程区地形地质条件，拟定了南线、中线、北线三条输水线路，三条线路起点与末端相同，其中南线线路总长127.25km，中线线路总长113.32km，北线线路总长115.00km。中线线路最短、水力坡降过渡条件最好，但是其线路横穿金塔县沙枣园子省级自然保护区核心区，在现有国家政策下，没有审批通过的条件，以下对南线线路和北线线路进行重点比较。南线方案优点是输水线路沿冲洪积倾斜平原区和沙丘地带边缘布置，地质条件相对较简单，基本无不良物理地质现象，需进行地基处理地段相对较短；地形坡降变化相对均匀，便于水力控制及消能设施布置，对工程安全运行有利；工程基本不占用耕地，不产生移民。缺点是穿越金塔县沙枣园子省级自然保护区实验区和缓冲区，需办理相关审批手续；线路相对较长，施工用水不便。北线方案优点是管线穿越花海盆地，输水线路较短；管线通过农业区，前半段施工道路基本具备，施工用电、用水方便，施工过程中生活方便；避开沙枣园子自然保护区。缺点是盆地地形落差大，工程布置困难；细土平原需进行地基处理段相对较长；占用耕地量大，居民点干扰大。经综合比较分析，北线方案投资较大，并且存在工程布置困难，需占用大量耕地的缺点；而南线线路地形坡降变化相对均匀，便于工程布置，并且基本不占用耕地，不通过居民点。故本阶段推荐南线输水线路。
2.2输水方式比选研究
2.2.1输水方式拟定
供水管线根据地形布置，自取水点起向东高程逐步降低，穿过石油河谷后高程有所上升；石油河之后高程一路下降，至管线中段桩号64+716.70m（三九农场南侧接近玉门南山省级自然保护区）处，高程降至最低；过南山保护区后在桩号83+574.10m处高程上升至后段最高点，之后在桩号119+017.60m处高程降至最低，然后高程又缓慢上升到达末端金塔厂址。供水管线在石油河以西地形起伏不平，石油河以东整体呈两个大倒虹吸布置。根据以上管道沿线地形特征，设计拟定有压重力输水和有压无压结合输水（有压重力和无压重力混合）两种输水方式进行设计比较。
2.2.2输水方案设计
1）有压输水方案。有压输水方案管线在起点接入有压流，沿途始终以满管、有压方式运行，沿线根据地形高差、坡降变化，分段选用合理管径和公称压力的管道。根据工程管线布置特点，管道沿线设置三处调节水池，把长距离重力流分为三段，在每处调节水池前均设置有调流调压阀进行消能。有压方案在桩号39+772.20m、89+888.30、125+528.90m（末端）布置三处消能工，远程控制机械设备消能。前两处消能工设置调节水池，末端消能工预留水头直接进入厂区水处理设施，并分水至厂区调蓄水池。2）有压无压结合输水方案。有压无压结合输水方案管线同样自起点内供水管道接入有压流，沿途在地形起伏处以有压重力流形式运行，在较长的顺坡段以无压流运行，其中有压流段长84.00km，无压流段长43.25km。有压无压结合输水方案在桩号12+061.00、15+932.30、49+299.20、83+574.10、93+460.50、127+250.20m（末端）布置六处消能工。其中49+299.20和93+460.50m两处为无压流消能工，布置为消力箱；其余四处为有压流消能工，布置为消能井。有压无压结合输水方案全部采用建筑物消能，不使用机械设备。
2.2.3输水方式比选
1）管道布置条件。有压输水方式可以根据地形落差和压力水头，均匀布置消能工，在局部区段可以充分利用地形高差变化，使输送设计流量时所采用的管径最小，达到节约管材的目的；可以根据地形敷设管道，基本不受地面起伏影响，土方开挖工程量较小。有压无压结合输水方式在无压流段必须保持一定的向下纵坡，开挖量较大；输水管道采用建筑物消能，导致消能工的规模偏大。2）运行管理条件。有压输水方式优点是运行灵活，自动化程度高；管理、维护方便。缺点是全程采用机械控制，对设备的依赖度较高，水力机械设备的保养、检测要求较高，管道保护设备必需年检，维修。有压无压结合输水的优点是各消能工处静水头压力较小，有利于消能，各消能工直接采用水工建筑物消能，可靠程度较高。缺点是自动化程度较低，水流运行条件较差，管道容易出现明、满流现象。3）主要工程量及投资比较。经工程量和投资比较，有压输水方式工程部分投资较有压无压结合输水方式少12491.12万元。经综合比较，确定输水方式为有压输水方式。
3管线工程设计研究
3.1管道设计
管道布置采用“双管输水，互为备用”的布置方式。两条管道采用相同管径，并行布置，沟埋式设计，管道间防冲刷间距定为15m，管道之间在检修井前使用连通管连接。供水管道管材选用球墨铸铁管标准管件，管径根据高程落差和水头损失，选用DN500mm、DN600mm。设计沟底开挖宽度1.45～1.60m，即管道两侧预留0.5m的施工宽度。管槽平均开挖深度2.5m，开挖边坡：基岩1∶0.2，砂砾石和粉质黏土1∶0.75，粉细砂1∶1.5。为保证管道冬季安全运行，管道埋深必须在冻土层以下，根据气象资料，工程区最大冻土深度1.50m，因此设计管顶以上回填埋藏深度设计达到2.0m以上。管槽填筑设计：沟底设计20cm厚细砾石垫层，最大粒径不大于20mm，采用现场开挖料筛分，垫层压实相对密度不小于0.8；垫层上敷设管道；垫层至管顶以上50cm范围内采用开挖料夯填，压实相对密度不小于0.75；管顶50cm以上部分用原开挖料回填至与原地面齐平，并预留沉陷高度20cm，即管顶以上范围内回填土高出周围地面20cm。
3.2管道附属建筑物
单条管道沿线设置3座消能阀室，2座调节水池，22个检修阀井，16个放空阀井，116个排气、补气阀井，3个电磁流量计阀井。1）检修阀井。为方便检修，每5～10kmm设置一个检修阀。每个检修阀配建一座检修阀门井，单条输水管道建设22座检修阀井，共44座。2）放空阀井。在每个检修管段，至少设置一个放空阀，放空阀布置于管道低洼处及阀门间管段低处，在管道顺坡、无起伏的阀门间管段，放空阀布置于检修阀井内，管道低洼处单独配建放空阀井。单条管道与检修阀并井布置放空阀10个，单独配建放空阀井16座。共布置32座放空阀井。3）调流调压阀室。根据工程管线布置特点，管道共设置3处消能设施，采用调流调压阀进行调流减压。调流调压阀选用根据对阀门前后的压力和流量监测来进行PLC自动控制的调节阀门，其结构型式多样，减压和控流性能突出，阀前配套设置全自动管道过滤器。每处调流调压阀配建一座调流调压阀室，单条输水管道设置3座，共布置6座。4）调节水池（平压水池）。在管线中间两个消能设施后布置2座调节水池连接上下段管道，调节水池处形成自由水面，实现了管道的完全消能，水池后连接下一级管道，从0水头开始进行下一级水流输送。管道末尾消能后直接进入厂区淡水处理厂的水池，不再另建调节水池。
4结语
长距管道离输水工程一般距离较长、起末点落差较大。在设计过程中要选择水力过渡条件比较均匀的线路以保证输水管线运行的稳定，线路沿途需要设置消能工进行分段消能来降低各分段的最大静水头提高管线运行的可靠性。管材费用占工程的总投资比例较大，所以选择性能可靠、经济合理的管材也是工程设计的重点。
参考文献：
[1]范英俊.球墨铸铁管及管件技术手册[M].北京：冶金工业出版社，2006.
[2]赵玺，压力管道输水的进排气设计与应用[J].水利水电技术，2006，36（12）：23-24.
[3]城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程：CECS193:2005[S].
[4]室外给水设计规范：GB50013-2006[S].
[5]水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件：GB/T13295-2013[S].
作者:张宏飞 单位:甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司