引汉济渭输配水工程中压力管道的设计选型研究

引汉济渭输配水工程中压力管道的设计选型研究

雷澄

陕西省水利电力勘测设计研究院西安710001

摘要：陕西省引汉济渭输配水工程是我省重要的水利工程之一，其关系到关中地区渭河两岸数百万人口的生活和生产用水。在工程中占相当比例的压力管道管材、管径的选取对经济投资及安全运行起着至关重要的作用。本文通过不同管材优缺点、适用范围，及分段管径确定方法，对工程中压力管道的设计选型进行研究。

关键词：引汉济渭输配水管材管径

1研究背景

陕西省引汉济渭工程是陕西省境内一项跨流域调水工程，也是关系陕西未来经济社会发展的战略性工程。引汉济渭输配水工程是引汉济渭工程的重要组成部分，工程从关中配水节点黄池沟起，输水干线西到杨凌，东到华州区，北到富平，南到鄠邑，输配水区域范围东西长约163km，南北宽约84km，总面积约1.4万km²，受水区直接供水对象为关中地区渭河两岸的西安市、咸阳市、渭南市、杨凌区4个重点城市和所辖的11个县级城市和1个工业园区（渭北工业园高陵、临潼、阎良3个组团）以及西咸新区5座新城。工程由黄池沟配水枢纽、南干线、北干线及相应的输水支线组成。其中北干线及其支线由于线路和地形条件限制，压力管道输水总长超过180km，合理选择管材和管径在整个北干线的设计中非常重要。

2国内在建或已建成工程中压力管道的应用

我国已有诸多建成或在建的压力管道输水工程，这些工程为引汉济渭输配水工程压力管道设计提供了参考和借鉴。

①山西万家寨引黄工程从黄河万家寨水库取水，分别向太原、大同和朔州三个能源基地供水，由总干线、南干线、北干线和联接段四部分组成，其中联接段汾河水库以下为压力管道输水，选用DN3000mm的预应力钢筒混凝土管（PCCP），长36.5km，设计压力为2.2MPa，设计流量20.5m3/s。

②吉林省中部城市引松供水工程从第二松花江丰满水库调水至长春、四平、辽源等地，线路总长263.45km，其中管线（PCCP、SP、现浇管涵）长139.47km，包含DN4000和DN3000的PCCP管约51km。

③辽西北供水工程是将鸭绿江水调入白石水库，线路穿越铁岭市、沈北新区、阜新市和朝阳市，其中输水工程线路长度497km，采用了920km长PCCP管，输水管道依次布置为3×DN3600，4×DN3200，3×DN3400，2×DN3800，最大内水压力分别达到1.2Mpa、1.6Mpa、1.4Mpa和1.0Mpa。

3管材比选

管材的选择是输配水工程的重中之重，不仅是因为管道在整个工程投资中占比较大，更是由于输配水工程承担着非常重要的供水任务，一旦因管材选择不合理发生事故，导致了输水中断，会造成很严重的后果。因此，管材的选择要结合工程实际情况，不仅有效的控制工程造价，而且更要确保工程安全稳定运行。

在选择压力管道管材时，应将以下几点作为主要标准：

（1）性能的可靠性，能够满足最大压力工况，符合工程区埋置环境要求，并且符合卫生要求；

（2）管道运输便利，配件配套完整并便于安装；

（3）在保证输水安全和运行稳定的前提下，最大限度的减小工程投资；

（4）管道使用寿命长，便于检修和维护。

北干线黄池沟至板桥出水池段为压力管道输水，全长38.31km，设计流量30m3/s、27m3/s、23m3/s，流量规模较大，三根或双根的计算管径约为DN2800～DN3400mm；张阁村进水池～富平南塬水厂段管道设计流量13.5m³/s～1.5m³/s，双根或单根的计算管径约为DN2400～DN1200mm。根据以上管径，可选用的管材有预应力钢筋砼管、预应力钢筒砼管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管等。

（1）主要性能优缺

钢管（SP）和球墨铸铁管（DIP）同属金属管道，有着共同的优点，如管道强度高，能承受较高的内水压力，接头形式灵活，密封性好，运行安全可靠，不易发生爆管事故等。输配水工程最大计算管径为DN3400，钢管可通过焊接进行生产；球墨铸铁管最大管径已达DN2600，但国内目前使用较多的管径一般都在DN1600以下，可在本工程中计算管径小于等于1.6m段使用。由于有着较高的抗拉强度，金属管道对于高水压有着先天的优势，但在抗外压（覆土）方面，金属管道性能较差。本工程中钢管需根据具体铺设断面，增设加筋环和采用外包钢筋砼的方法来抵抗外力；管径大于DN1200的球墨铸铁管最大允许埋深不宜大于5m。

预应力钢筋砼管（PCP）制造工艺简单，造价较低，在我国应用较早，其管径一般在DN400～DN2000之间，承受水压在1.0MPa以下，抗腐蚀能力强，但管道承压低，较脆，目前输水工程中已较少用到，仅在低压小口径引水工程中使用。预应力钢筒混凝土管（PCCP）克服了上述缺点，目前工程已使用的最大管径达到了DN4000，常用口径的最大管压达到了1.6MPa以上，广泛运用于城市供水工程。

玻璃钢管（RPMP）是从国外引进的复合管材，管径一般在200mmm—2000mm之间，工作承压在0.6MPa—2.5MPa之间，有着良好的耐腐蚀、耐磨、耐热等性能，重量轻，接口少。但对于地形高低起伏，或者黄土湿陷地区，施工不当会引起接头漏水，且管壁薄，脆性大，易发生爆管事故。

（2）费用比较

对于压力管道输水工程来说，在允许的管径、管压范围内，就目前的生产标准和市场环境来看，采用PCCP管是最为经济、可靠的。但是，受钢材价格起伏影响，球墨铸铁管利用其高承压，长寿命等特点，在越来越多的工程中使用。常用管径综合造价从高到低依次为：钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、玻璃钢管、预应力钢筋混凝土管。

由于钢管需要焊接，而PCP和PCCP管重量较大，安装费用相对较高，其余管材因为自身价格相差大，但安装费用占比低，故安装费差别不大。

上述管材的运行管理费用也有很大的不同。其中钢管的维护费用最高，PCP管、玻璃钢管和球墨铸铁管维护费用适中，费用最低的是PCCP管。

（3）小结

综上所述，各管材性能对比见表1。

通过上述比较，为确保工程运行安全，北干线黄池沟至板桥出水池段输水线路管材选用钢管及PCCP管：对管径在DN2800～DN3400mm范围内，设计工作压力大于1.2Mpa及管线穿越黑河和渭河时，采用钢管；设计工作压力小于等于1.2Mpa时采用PCCP管。

北干线张阁村进水池～富平南塬水厂段，由于目前国内生产的PCP管最大管径为DN2000mm，且管压小于1MPa，从水力计算结果看，不能满足工程需要；同时，大口径钢管造价较高，且内外防腐要求较高不适应；大口径球墨铸铁管造价较高，在管径小于等于DN1600后性价比高；玻璃钢管抗外压性差。因此，本段压力管道推荐DN1600以上管材选用预应力钢筒砼管（PCCP）；管线穿越泾河、清峪河时，采用钢管；小于等于DN1600管材选用球墨铸铁管（DIP）。

4管径的确定

分段管径的确定对引汉济渭输配水工程的建设投资和运行管理费用有很大影响：管径増大，管道流速减小，水头损失减小，管道末端剩余水头加大，但管道自身造价提高；管径减小，管道流速増大，水头损失相应増大，管道末端剩余水头减小，甚至不能满足末端用户需求，但管道自身造价降低。这就需要通过水力计算确定管道经济流速，选择出适合的管径。

对于引汉济渭输配水工程北干线来说，充分利用水头，争取实现重力供水，对个别供水对象受高程限制无法重力供水时，可考虑支线加压供水。

除杨凌、富平供水点高程较高，须设置泵站加压供水外，其余各供水点的输水水位应满足向供水点水厂重力供水的需要；在满足重力自流供水条件下，结合各段地形地质条件，减小输水压力管道断面尺寸，节省工程投资。

北干线黄池沟～板桥出水池段，受板桥下游三处（兴平、咸阳、西咸新区）受水对象高程影响，考虑干支线损失和末端预留水头（6～10m），板桥出水池设计水位选定为498m，结合分段流量，最终确定黄池沟至板桥段采用双根DN3400压力管道。

张阁村进水池～红荆泵站段，各受水对象高程均低于始端设计水头，且富余较多，本段管道流速可适当加大，降低管道口径。经综合比选，确定本段流速为1.71～1.44m/s，管径随流量递减由双根DN2400至单根DN1200，在满足了各用户需水的基础上降低了工程投资。

红荆泵站～富平南塬水厂段，由泵站建设投资和运行管理费用与压力管道投资费用比较确定管径。最终考虑流量、扬程等参数和水泵选型因素，选定本段管径为DN1200，流速1.33m/s。

北干线各支线管径选型受末端水厂所需水位影响，在满足水位要求的前提下，尽可能加大管道流速，最高可达到2～2.5m/s，有效地降低管径。

5结论

（1）在引汉济渭输配水工程北干线中，管道自身的造价占整个线路投资的比重较大。在线路和布置方案优化的基础上，在确保工程安全运行的前提下，确定分段采用不同管径的PCCP管、钢管、球墨铸铁管，降低工程投资，减少维护管理费用。

（2）在引汉济渭输配水工程中，线路布置结合纵向地形高程，充分利用重力水头，满足各受水对象水压高程为基础，提高管道流速，优化调整管径，减小工程投资。

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