出　　自： 《中國給水排水》 1985年第1期第29頁
發表時間： ： 1985-1

戴之荷 金善功 賀梅棣

( 中國市政工程西北設計院)

摘要：本文在總結長距離輸水工程設計實踐的基礎上，通過一定的理論分析，著重對長距離輸水工程設計中的選線原則、方案選擇、管線設計、設備選用、埋深計算、調節水池選用、各類閘門的安裝等提出某些看法，并對長距離輸水系統供水保證率計算等作了論述。

PROBLEMS IN THE DESIGN OF LONG DISTANCE WATER TRANSPORTATION Dai Zhihe； Jin Shangong；He Meidi (China Northwest Municipal Engineering Design Institute)
Abstract
Based on the practical designing experiences and theoretical analysis; the point of views concerning pipe- line selection and designing,devices and reservoir selection, computation of burying depth,valves installation etc.,and also the calculation relating the safety factor of long distance water transportation are advanced in this article.

一、前言

隨著國民經濟的發展，對水的需求量日益增加。某些地區由于就近缺乏水源，必須采用長距離輸水方式來解決用水問題。
長距離輸水，管線長、地形復雜、具有一定的特殊技術問題。設計人員要根據各工程的具體情況，進行妥善的處理。
本文在總結長距離輸水工程設計實踐的基礎上，通過一定的理論分析，著重對長距離輸水工程設計中的選線原則、方案選擇、管線設計、設備選用、埋深計算，調節水池選用、各類閘門的安裝和長距離輸水系統供水保證率計算等方面作一論述。

二、選線原則:

輸水管線的設計，必須以供水安全可靠、工程造價低、節省能源、便于施工和有利維護管理為原則。尤其對地形復雜的長距離輸水工程，合理選線更有重要的經濟意義。其選線原則是:
(一)管線應盡量短，并力求利用地形條件采用重力流輸水。通過技術經濟比較使所定管線為最經濟合理。
(二)輸水管線應盡量避免與各種障礙物交叉；如山谷、河流、鐵路、公路、以及地質條件不利的地段。
(三)在礦區內選線時，應模清地下礦藏分布情況，對采空區和坍方區不得敷設永久性管線。
(四)為防止土壤對金屬管道的腐蝕，管道應避免通過土壤腐蝕性大、導電率高的地段或沼澤地段，在城市或工礦區選線時，要避免雜散電流的影響。
(五)在山區或丘陵區選線時，應盡量將輸水管線沿已建的公路一側埋設，并力求減少土石方量。
(六)對純巖石地區的管線，考慮到管溝需用爆破施工，其線路必須保證與附近高壓供電線、鐵路或居住區有一定的安全距離。
(七)山區長距離輸水選線，還應考慮開挖與回填的土方量平衡，避免遠距離運送土方，在巖石地區施工時，要考慮到沿線就近取土回填的可能。
(八)選擇線路應盡量不占或少占良田。

三、方案選擇

長距離輸水按其輸水方法可分為壓力流輸水與重力流輸水兩大類，而在重力流輸水中又可根據管內水流的特點分成無壓自流式和承壓滿管流兩種。在地形復雜的情況下有時可分段采用以上兩種方式。
(一)重力流輸水系統
水源地勢高于用水地點，而兩處地形高差足以克服輸水管線的水頭損失，又能保證用戶用水壓力要求時，可根據地形、地質等自然條件，由水源全部或部分用重力流輸水至用水點。在不能自流的地段，可采用承壓流送水。這種供水方式投資和運轉管理費用最省，是比較理想的供水方式。
(二)壓力流輸水系統:
對于水源地勢低于用水地點，應根據地形高差、管線長度、管材的承壓能力及設備動力情況，沿管線設置不同數量的中途加壓泵站，用壓力流輸水至用水點。
在長距離壓力流輸水設計中，本著安全、節約、便于施工和有利維護管理的原則，中途加壓泵站的級數應盡量減少。
加壓泵站之間的內部系統，目前大多采用吸水池中斷壓力后，再用水泵提升的形式。吸水池容積主要考慮前后兩級加壓泵站在運轉中的流量調節因素。這種形式運轉可靠，管理方便，但水池之輸水管末端的余壓未能充分利用，浪費了能量。在長距離輸水設計中，若取消各加壓泵站的吸水池，利用管道直接連接相鄰兩級泵站的進出水管，只要控制好各級泵站的啟動時間，運轉同樣可靠。我院設計的某長距離輸水工程，采用直接串聯加壓形式，現已有十五年運轉歷史，情況良好。
對于山區，礦區或新建城市，往往交通不便，供電、供熱、供應生活用品等條件比較困難。有的山區夏季交通受洪水威脅，冬季經常大雪封山，給泵站的運行和維護管理帶來極大的困難。在這種情況下，長距離輸水管線沿途應盡量不設或少設泵站，采用高壓輸水系統更為合理。例如某礦區給水位于山區，水源地距四十多公里，高差大，地形復雜，沿途設泵站的條件困難，采用高壓輸水方案。輸水管設計最大工作壓力達47公斤/厘米 2 。設計中采用了高壓自動復位水錘消除器；高壓排進氣閥。
該工程于1978年正式投產，做到了一次試水成功。五年來的實際運轉表明，整個供水系統情況良好。

四、管道設備的設計與選用

(一)高壓自動復位水錘消除器的設計與選用
目前，國內所生產的水錘消除器，就其工作性能分析，只適用于工作壓力25公斤/厘米 2 以下的管道。而對高壓給水系統，尤其對長距離輸水，由于管道的始、終點地形高差大，水頭損失多。當水錘突然發生時，其水錘波的最低壓力，仍會保持著較高的正壓值。因此，只要求在負壓或較低壓力才能啟動的現行重錘式水錘消除裝置，在這里已不宜使用。
高壓自動復位水錘消除器是當給水系統突然停電，管內高壓水錘正壓波值返回前的瞬間，利用在逆止閥前后出現的壓差，破壞了消除器保持常閉狀態的平衡條件，在壓差作用下推動閥體內的活塞上移，接通泄水管，泄水降壓達到水錘防護目的。同時，考慮山區長距離輸水維護管理的不便，在該系統上安裝自動調節復位器。復位器可調節在一定壓力作用下，閥門自動開啟。隨著管內壓力的逐漸回升，壓力水又開始向消除器的上、下部空間回流充水。當活塞面上的壓差達到一定值時，活塞又開始向下推移，關閉泄水管，消除器恢復到原來的常閉平衡狀態。
高壓自動復位水錘消除器，在某山區長距離輸水管線安裝使用，經過性能鑒定，證明動作靈活。在實際運轉中雖然發生過幾次突然停電，但未發生水錘事故，保護了管線正常運行。該設備在管道上的安裝見圖1

(二)高壓排進氣閥設計與選用:
長距離輸水，往往沿線地形較復雜，管線的坡度起伏變化大。實踐證明，合理的設計與安裝排進氣閥，對保護管線正常輸水極為重要。
分析現有排氣閥裝置的工作性能；當閥體內充滿有壓水使浮體封閉排氣管時，若作用在浮體本身排氣孔軸向由氣壓造成的垂直壓差，超過浮體本身的自重，這時，雖在閥體內充滿積氣，但浮體不能隨水面下降，積氣無法排除。
為解決這種矛盾，國外采用結構較復雜的杠桿傳動裝置，借助較大的力矩比，使其動作靈活可靠。這種設備雖然較輕便，但其適應的工作壓力仍較低。我院本著結構簡單，動作靈活，適用高壓系統的原則，在某長距離輸水工程中，設計使用了一種高壓自動排進氣裝置。其工作原理為:
1.閥內浮體自重應小于浮體本身的浮力，從而保證當管線正常運行時，排進氣閥處于常閉狀態。
2.排進氣孔的選定，應根據在閥體內充滿積氣后，水面下降時，浮體借自重能克服此時所受的軸向垂直壓差而下移，并能保證一定的排進氣強度。
3.根據長距離高壓管線各設計管段的壓力，能調整排進氣閥浮體的自重。
為滿足上述的幾點要求，高壓自動排進氣閥中，浮體的設計條件式應為:

五、管道埋深的計算與確定

在長距離輸水中，管道的工程量和投資，都占有較大的比重。而管道埋深又與工程造價直接有關。尤其在我國北方山區，該問題更應引起重視。
目前，對給水管道埋深的計算，仍是以埋設深度大于當地土壤最大凍結深度。但該方法缺乏足夠的理論依據。
我院對各種土壤的凍結深度和不同埋深的動靜水給水管道進行了連續凍結實驗。對土壤凍結深度的計算方法、管道埋深的確定，提出了不同的論點。對由水流作用下，在管壁四周產生不凍層的計算理論，給水管道凍結時間和埋深的關系等進行了全面分析。實際觀測結果表明，由于現行方法從非熱平衡條件出發，并忽略了埋深、不凍層厚度和凍結時間的相互關系，其計算值與實測值的誤差較大。
此外，對長距離輸水埋深的計算，還要考慮在已確定的供水保證率前提下，允許停水時間和管道凍結歷時的關系等因素。
以H代表長距離輸水管道埋深；h代表當地土壤的最大凍結深度；T W 、T A 代表管內水溫和地區最低氣溫；λ 0 、λ i 代表自然土壤和凍結土壤的熱傳導系數；D 1 、D 2 代表管徑和不凍層直徑；n代表土壤含水率；r代表土壤容重；K、ζ為計算系數。則管道埋深計算公式為:
H=K·(1-β)·h


t A :為冬季日平均最低溫度(度)，可由各地氣象資料中查得。
如上所述，當其它條件已定時，管道埋深直接與凍結時間有關。而在長距離輸水設計中，為滿足一定的設計保證率，有一個相對應的設計允許斷水時間(t)，但只要能滿足條件:
t可以認為，這樣確定的管道埋深是經濟合理的，在實際工程中，也可根據當地的已有資料，求出Σ-T m 、K 1 值，利用已繪制的給水管道埋深計算圖表(見圖3)直接查出相應的埋深H值。

本計算方法在我院所設計的某長距離輸水工程中應用后，所確定的管道埋深，比用現行方法計算減少20～25%。

六、幾個技術問題

(一)長距離輸水管線根數與供水保證率:
長距離輸水系統的供水保證率計算，是個新課題，它與輸水管線根數；單管輸水能力；各條管線之間連通管根數；設計管段事故檢修和恢復供水的時間等因素有關。據有關資料分析，對長距離輸水系統而言，出現斷水事故機遇(Λ)，與輸水管根數(N)，中間連通管數目(n)，檢修恢復供水時間(t)，和各分段檢修管的事故次數(λ 1 )的關系，可用下式表示:

不言而喻，上式時間因素t值的大小，應該是和在一定供水保證率前提下的允許斷水時間相一致的。
對整個長距離輸水系統的供水保證率計算表明；如果我們把輸水管線出現的斷水事故，或對該事故的檢修恢復供水歷時作為變量，其輸水系統的供水保證率計算式為:
ρ=e At (%)。
在一般情況下，對長距離輸水工程而言，事故斷水后，檢修和恢復供水時間可選用下表數值:

輸水管線根數的選擇，應視管道輸水能力；近遠期的供水量規劃；線路長度；施工條件及備用水源情況等因素，經綜合經濟比較確定。
實踐證明、長距離輸水中，一般采用單管線輸水方式，但為保證安全供水，滿足設計供水保證率的要求，一般采用建安全調節水池的措施，其調節水池的最小容積為:
W=αQ 0 t(米 3 )
式中:α——允許事故供水流量減少系數；對生活用水α為0.7～0.75；對生產用水α應視工藝要求而定。
Q 0 ——設計流量；
t——由供水保證率所決定的允許斷水時間。
此外，在單線長距離高壓輸水系統中，由于水錘的威脅較為嚴重，為提高輸水系統的供水保證率，在長距離輸水管線的局部水力條件不利管段上，采用增設局部環狀復線。
(二)長距離輸水管線各類閘閥的安裝:
對于長距離輸水管線上的閘閥，如排氣閥、進氣閥、泄水閥和干線閘閥的安設位置，國內外看法不一。我們的看法是；各類管線閘閥的安裝位置，應根據管線長度、地形變化情況、管徑大小等因素而定，更主要的還應與已選定供水保證率所限制的允許斷水時間內所確定的各檢修管段的長度相適應。
對于常見的單管長距離輸水管線，其檢修管段長度，一般不大于3公里。在山區長距離輸水工程設計中，地形起伏多，當在相鄰兩處高地的距離接近于檢修管段長度時，在其間仍有一些局部較小的起伏，但仍在檢修段的兩端安裝閘門。并于閘門兩側分別安裝排進氣閥。而在其最低處安裝泄水閥門。
對于地勢比較平緩的長距離輸水管線，則應在檢修管段的始終端，分別將排進氣閥、泄水閥和管線閘門安裝在同一節點閘門井(室)內。
為在長距離輸水管線上削弱水錘的威脅，可在一定的距離上用單向閥來代替管線閘門。
(三)長距離輸水系統中調節池的選用:
調節池在長距離輸水系統中起著非常重要的作用；它不僅能調節水量，起到安全水池的效應，同時也能起到調壓水池的作用。在長距離輸水工程設計中，必須合理地選用。
在實際工程中，可采用調壓水池與安全水池合建的形式。
對于重力流輸水系統，利用調節水池，對管道壓力線的控制與劃分，提出以下看法:
1.充分利用地形高差，用調節水池分段輸水，在允許流速范圍內，減小管徑。
2.盡可能減少管道的動、靜水壓差。
3.水池的位置應保證防止管道水壓坡降線與管線的交叉，避免負壓管段出現。
4.在系統中，必須保證(下轉37頁)(上接33頁)多水池間的水位平衡與穩定。
(四)長距離輸水管線穿越設施的選用:
由于地形條件的限制，長距離輸水管線經常會遇到一些障礙地段。例如:河溪、溝谷、獨山、山口、山嘴、路面等。對此，在無法繞過避開的情況下，必須采取局部管道的穿越措施。
輸水管線必須越過河溪、洪溝時，首先應考慮利用已有跨越構筑物的可能，如已建的橋梁、堤壩、路基等，必須新建管線跨越設施時，應根據河道斷面特點，水文地質情況和施工條件等因素而定。
一般說來，對于水位較淺，跨度較大而且沖刷不嚴重的平緩穩定河谷，宜采用倒虹管穿越。同時，應在河谷主流段的管頂，加設局部防沖刷加固措施。
對于山區內的澗溪溝谷，要根據不同的情況，采取各種跨越措施。
當管線穿過溝面狹窄，溝底深陡，且洪水威脅較大而平時泄流較多的洪溝時，采用懸索管橋跨越形式，當管線穿過溝面較開闊，平時泄流不大，洪水威脅較小的洪溝時，則采用溝面設立柱加斜吊桿的管橋跨越形式。
當輸水管線遇到獨山、山脊或山嘴時，應從遠處以較小的轉角繞過。有時，為縮短管線長度，要直行穿過時，可選擇最近距離兩點間開挖隧洞。同時，應處理好洞內保溫防凍防坍落石方，和泄空檢修等措施。
從長距離輸水工程實際運轉情況分析，以上的各種局部管段，是在運行中容易發生事故的地方，因此，設計中對于這些局部管段的安全防護措施，如:管道保溫處理；防洪水沖刷措施；防溫差作用管道伸縮問題的處理；以及防止外部機械性損傷等技術措施。都應予以重視和妥善解決。