摘要：顶山供水管道工程是为解决北疆供水工程施工、运行而兴建的一项附属工程，设计流量384m3/h，最大日供水量9000m3/d。该工程的特点是水位差大，总可利用水头达143m，是一个可以充分利用地形实现122km管道重力输水的供水工程，输水干管总长达144km，水泵扬水部分占22km。本文简要介绍该管道工程设计遇到主要问题及解决对策

关键词：玻璃钢管道长距离供水设计总结

　2主要设计问题及解决方案

　　本工程尽管供水量不大、管径不大，但作为长距离有压供水管道，其规模确定，断面布置，管材选择，水锤防护设计，附属设施设计，跨河建筑物设计，跨路保护等问题都应地形复杂、压力高、工程重要等而显得格外重要。

　　2.1系统规模确定

　　顶山供水工程主要是为解决施工用水而专门兴建的，后期作为绿化用水而继续使用，其设计应根据施工用水的不均衡性、用户特点而确定供水规模。根据施工总体规划布置，顶山至三个泉施工区域按均衡生产日最高用水量见表1。

　　表1顶山至三个泉施工区域日最高用水量统计表

　　序号

　　项目

　　桩号(km)

　　长度(km)

　　水量(m3/d)

　　备注

　　1

　　顶山隧洞施工区

　　0 150～15 340

　　15.18

　　960

　　生活生产用水

　　2

　　渠道

　　15 340～23 308

　　7.97

　　220

　　生活生产用水

　　3

　　小洼槽倒虹吸

　　23 308～28 509

　　5.201

　　480

　　生活生产用水

　　4

　　渠道

　　28 509～142 137

　　113.628

　　1540

　　生活生产用水

　　5

　　大洼槽倒虹吸

　　142 137～153 013

　　10.876

　　850

　　生活生产用水

　　6

　　管理处

　　142 137

　　50

　　生活用水

　　7

　　合计

　　153.013

　　4100

　　考虑工程施工的特点，及年有效利用时间，小时用水不均匀系数(或时变化系数)，施工用水取k₃=1.5，生活用水取k₃=2.5；施工用水按每天二班工作制16h计算，生活用水按24h计算。则供水系统日最高用水量为q_dm=4100m3/d，系统的小时最高用水量∑q_hm(m3/h)为系统内各用户高峰日的小时最高用水量之和，计算可得小时最高用水量为384m3/h。主干管网设计流量为系统小时最高用水量384m3/h。

　　按8h供水计算、日供水3072m3/d，按12h供水计算、日供水4608m3/d，按16h供水计算、日供水6144m3/d，按24h供水计算、日供水9216m3/d，每日供水12h可以满足正常供水4100m3/d的要求，每日供水20h可以满足高峰期7500m3/d的要求，故系统主干管道流量设计是合适的。

　　2.2系统方案确定

　　采用大管径方案水头损失小，管道投资大，但可以减少扬水级数，降低泵站投资和系统的运行费用；采用小管径方案水头损失大，管道投资小，但需要增加扬水级数，增加泵站投资和系统的运行费用；经过技术经济比选最终选择管道二级扬水方案，该方案充分利用高位水池地形差，实现重力流输水部分长达122km，且投资最省。

　　表2分级扬水方案特性表

　　泵站指标

　　单位

　　一级扬水方案

　　二级扬水方案

　　三级扬水方案

　　一级

　　泵站

　　站点桩号

　　km

　　0 000

　　0 00

　　0 000

　　设计流量

　　m3/h

　　384

　　384

　　384

　　扬程

　　m

　　95.153

　　95.153

　　126.519

　　泵站功率

　　kw

　　90×2

　　90×2

　　110×2

　　二级

　　泵站

　　站点桩号

　　km

　　129 000

　　27 000

　　设计流量

　　m3/h

　　109.644

　　274.271

　　扬程

　　m

　　63.094

　　143.768

　　泵站功率

　　kw

　　37×1

　　160×1

　　三级

　　泵站

　　站点桩号

　　km

　　86 000

　　设计流量

　　m3/h

　　157.267

　　扬程

　　m

　　120.522

　　泵站功率

　　kw

　　90×1

　　总扬程

　　m

　　95.153

　　158.247

　　390.810

　　泵站总功率

　　kw

　　180

　　217

　　470

　　管道工程估价

　　万元

　　5460

　　4829

　　4670

　　泵站工程估价

　　万元

　　110

　　166

　　227

　　运行费估价

　　万元

　　118

　　236

　　473

　　供水系统估价

　　万元

　　5689

　　5232

　　5370

　　特点

　　一次扬水至高位水池，自流至三个泉，管道dn400～dn250，末端流速小

　　一次扬水至高位水池，管道dn400～dn350，126所二次加压继续输送

　　分段分级扬水，管道dn400～dn250

　　在输水和给水工程中，管道占投资的比重很大，且因管材选用不当造成事故或增加不必要资金的实例也较多，因此管材的选择应根据工程的具体情况，要做技术、经济、安全、工期等多方面分析比较，综合平衡后确定。

　　根据国内多处供水工程的设计经验，结合本工程规模及重要性、管径及工压、工程地质、地形条件、外荷载状况、各种管材的应用情况、发展前景等纵多因素决定管材选择基本原则为：

　　①考虑工程的规模及重要性，受资金限制，不能修建备用管道，管道安全输水是第一位的；

　　②管道口径及能承受要求的内压力和外荷载，供水管道最大设计压力1.6mpa，且有多处穿越路口，需要考虑汽车通行；

　　③管道使用性能的安全及维修工程量小，设施尽量健全，减少施工供水期的维护工作；适应气候温差的变化，连接方式简单可靠；垫层处理型式简单易行。

　　④管道使用年限长；

　　⑤管道在满足输水能力不变的情况下，造价低廉，符合饮用卫生条件；

　　⑥管道能满足工程地质、地形条件的影响，抗腐蚀能力强。

　　目前在管道输水工程中比较多的采用钢管、球墨铸铁管、预应力砼管、玻璃钢管、硬聚氯乙烯管（upvc）、预应力钢筒混凝土管（pccp）等。参考已建工程管材比选的特点以及各种管材在新疆的应用情况，本项目工程最终确定采用upvc管、玻璃钢管和钢管三种管材方案进行技术经济比选。通过管材的裁切方式、施工难易程度、安装后使用寿命、与不同管材的连接方式、抗冲击、耐压力、抗耐腐蚀、尺寸稳定性、阻燃性、卫生性能、维修方便程度等多方面进行技术经济比较，upvc管和玻璃钢管具有良好的水力学性能，它们的糙率系数达到了0.008～0.009，两者在价格上也相差不多；钢管具有良好的力学指标，可承受较大的水头，但价格较贵，并且它的水力学性能不如upvc管和玻璃钢管，在相同的条件下，钢管的管径要比upvc管和玻璃钢管大。

　　本工程采用二级扬水方案时，不同管材管道部分造价，upvc为5016.91万元、玻璃钢管为4829.14万元，钢管为6446.3万元，根据upvc管、玻璃钢管和钢管三种管材方案的技术经济比较，本项目工程的管材选用玻璃钢管方案较好，相比较upvc节省管材投资188万元、比钢管节省1617万元。

　　2.4管道断面布置

　　埋地式玻璃钢管道是一个相互作用的管－土壤体系，作用于玻璃钢管道周围的土壤不仅直接形成管体上的外压荷载，而且还为管体提供相应的支撑。管区回填，一般自管底至管顶0.7dn以下部位的回填作为主管区回填，0.7dn至管顶300mm范围内属次管区回填。夯实自管道两侧同时开始，逐渐向管道靠近，压实度一般控制在90％～95％。管区回填材料的粒径、材料必须与管沟的自然土壤相协调，不能冲蚀管沟的自然土，也不允许迁移、流动到管沟的自然土中，流动到回填材料中，管侧支撑土壤的流失，将会造成管道挠度增加，不能满足长期运行的要求。布置管道断面需要因地制宜、选择正确的安装类型、充分利用当地材料。

　　本工程地处严寒地区，冻土层最大冻深在1.9m左右，因此，整个管线段管道埋深按1.9 0.3＝2.2m控制；考虑到垫层施工及主管区回填的重要性，适当加大底宽，按底宽b=2×0.4 b＝1.2m设计；开挖边坡砂泥岩段1：0.3，流沙段1：1，填方外边坡1：1，管顶设带帽；根据玻璃钢管道的特性，采用15cm厚直径小于10mm的砂石垫层，流沙段采用30cm厚砂砾石垫层，充分利用开挖砂岩过筛后作为管底垫层材料；管底至管顶以上300mm区域为人工回填区域，管底至管道0.7dn为主管区，0.7dn至管顶300mm以下为次管区，均采用人工分层回填夯实，p>0.90，利用开挖砂岩，其他区域为机械回填区域。管道典型横断面如图1所示：

　　图1供水管道典型横断面布置图