顶山144km玻璃钢供水管道工程设计总结（3）

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

　2.5 管道设计

　　2.5.1 水力学计算

　　进行管道水力学分析计算时，重点研究水头损失、水锤现象。本次玻璃钢管水力计算采用《玻璃钢加砂管道》中介绍的公式计算，即先计算雷诺数，然后根据公式进行判断，是属于水力光滑区，还是粗糙区，还是混合摩擦区，最后按不同的公式计算水力坡降和水头损失。

　　① 节点流量及管段流量计算：按供水区段流量沿渠线长的线形分布进行计算，管段流量根据流进节点的流量等于流出节点的流量进行计算。

　　② 管道基本水力学计算：本工程管内的水流为压力管流，其过水能力按压力管道公式进行计算：Q=μω（2gz）1/2，式中Q—过水流量(m3/s)，ω—过水断面面积(m2)，Z—进出口水位差，即总水头损失(m)，μ—流量系数，与管内沿程摩擦损失及局部阻力损失有关。最关键的参数为管径、总水头等参数，选定一种管材后，糙率确定，试算管径、流速，直至得到合适的管径、流速。

　　③ 雷诺数、当量粗糙度、水力摩阻系数计算：按水力学有关公式计算雷诺数、当量粗糙度，根据雷诺数、当量粗糙度判别水流状态，选择不同公式计算水力摩阻系数

　　④ 计算水力坡降：管道水力坡降计算按压力管道计算公式进行计算，即J=λ/d*（v2/(2g)），J—管道水力坡降，λ—管道水力摩阻系数，d—管径(m)，v—管内流速(m/s)，g—重力加速度(m/s2)。

　　⑤ 管道水头损失计算：管道总水头损失为沿程水头损失与局部水头损失之和，管段沿程水头损失按计算出的管道水力坡降计算，局部水头损失初估为沿程水头损失的10%，等管线布置完成后再根据阀门、弯头等详细计算。

　　⑥ 管道水压计算：按照最不利供水节点的控制自由水压取10.0m计，自由水压为水压标高减去地面标高，水压标高应从最不利供水节点向水源点或供水点计算。为工程运行安全计，全供水管道水压按各段静水压选取管道，即当管道下游关闭止回阀时，由泵站扬水所形成的最大水压。

　　⑦ 水锤防护计算：凡是有泵及压力管道的地方就会有水锤，因此水锤是长距离输水工程的一个重要的技术问题，也是造成工程事故的一个主要原因。扬水泵站及压力最高段管道是水锤防护的重点，设计主要是分析出现水锤的可能性，研究出现水锤现象时管道的承受能力，并考虑合适的工程措施加以解决。当有压管路中某一点管路中的工作部件工作状态的改变，会引起管内流速的急剧变化，从而引起流体压强大幅度的改变，这种水击压强的升高和降低，可以达到很高的数值，有时甚至会引起管道严重变形，或发生管壁破裂等严重事故。

　　水锤现象计算公式参考水力学，主要计算公式如表3。按不同壁厚计算本工程不同压力发生水锤时的最大流量及流速变化如表4。设计要求0.85≤V≤3.0 m/s，从计算结果分析，均可以满足要求。为安全起见，在一级扬水泵站出口处加设液控缓闭止回阀，防止过大水击压力破坏管道及水泵。

　　表3　　　　 有压长输管道水锤计算公式

　　表4　　　　 不同壁厚压力管道发生水锤时流速增量变化

　　2.5.2 结构计算

　　玻璃钢管道参考以往工程经验、投资、以及管线制造特点，根据设计压力分为两类：工压大于1.0Mpa采用纯聚酯玻璃钢管道，工压小于等于1.0Mpa采用玻璃钢夹砂管道，刚度均为S_N5000。按照JC552-94及JC/T838-1998玻璃钢设计标准规范进行管道结构设计，并由厂家进行管道壁厚分析计算，同设计管道壁厚进行分析比较，重点研究管道设计工作年限、管道环向失效应力、刚度等参数。厂家根据设计参数进行铺层设计，确定参数后进行生产，并按规范要求进行生产。该项设计的主要目的是确定管道壁厚。

　　2.6.1 排气阀设置

　　水在输水管道运行时，实际上是水气两相流。因此在长距离输水管道设计时，应依据输水管道的纵向布置，分析研究计算可能出现的不同工况下水的流动状态，选择合适的位置(一般在驼峰处)布置一定数量的排气阀，在管线的水平段，排气的问题更突出，因此在设计时一般人为的把管线布置成一个高点，设置排气阀，而且水平距段根据经验设置。排气阀的选择也很重要，因为管道中运行时，水在管道中的状态很复杂。根据国外水锤研究者提供气水两相流可分为六种流态，即层状流、波状层、段塞流、气团流、泡沫流、环状流，由于水流流态的复杂性，也就产生了排气的困难，因此除了确定排气阀的合理数量，合适位置，对排气阀种类与性能也应充分重视。
　　根据多个工程的调查情况，排气阀过多会造成管理上的困难及增加投资，过少会影响管道进排气，造成工程事故。很多资料介绍排气阀应600~1000m设置一处，在多次研究、咨询的基础上，确定本工程共布置1.0~1.6Mpa DN80排气阀89处，距离最短的相距700m，最远的相距3000m，平均1.62km一处。

　　考虑到水源地未设置净水装置，所有排气阀底部与闸阀连接处加装了缓冲阀，防止杂草等堵塞气阀，根据市场调研情况选择复合式进排气阀，大孔用于强排，平时微量排气靠小孔实现，材质为球墨铸铁。

　　2.6.2 分水、排水阀井设置

　　在管道每隔5公里设一处分水阀井，管道上设立分水井的目的：一方面为施工单位分水之用；另一方面在管道检修时，能利用井内的阻断阀截断水流；再一方面出现事故时可以紧急关闭。分水管直径一般为输水管直径的1/3，分水阀直径等同分水管直径。主管直径DN=400，排水阀直径DN=150，全线共布置31处分水阀井。阻断阀门采用法兰式手动蝶阀，材质为球墨铸铁，分水阀门采用法兰式手动闸阀，后接水表计量，阀门材质为球墨铸铁。

　　管道的低凹处应设泄水管及排水阀井，管道上设立排水井的目的：一方面在冲洗管道时能把管内沉淀杂物、泥沙冲刷排净；另一方面在管道检修时，能把管内存水放空。泄水管宜接至沟底或低洼处，当不能直接排出时，应设集水井，用水泵将水排走，泄水管直径一般为输水管直径的1/3，排水阀直径等同泄水管直径。主管直径DN=400，排水阀直径DN=150。分水阀门采用法兰式手动闸阀，阀门材质为球墨铸铁。排水阀井根据地形需要共设置62处。

　　2.6.3 跨河建筑物

　　管道在118＋000处穿越渠道，渠宽24m，为防止管道振动，设计采用钢桁架桥通过，跨径26m，宽度1.2m，渠道两侧设钢筋砼桥台，玻璃钢管采用岩棉保温处理。

　　2.6.4 跨路保护

　　本工程与各种永久道路、临时公路相交处共17处，对于永久公路及汽车荷载超过汽－20标准的，均采用钢套管穿越，减少干扰，避免隐患，确保运行安全。对于临时路口及小车通过的，采取加固次管区的办法，即将该段管道次管区及机械回填部分全部采用人工分层回填夯实，直至地面。

　　2.6.5 管道连接件及其他

　　玻璃钢管道在实际使用当中需要与各类管道、阀门、钢制件、水池等进行连接，各种连接件如法兰、弯头、大小头等均可以采用玻璃钢手工糊制生产，也可采用钢制件。根据类似工程调查情况结合管道维修、运行等，确定管道与阀井的连接件全部采用钢制件。少量弯头、对接部分采用手工糊制，并按设计压力1.5倍加强处理。

　　本工程设计1.24m长连接钢短管（一头承口、一头插口）共186个，连接钢三通93处，手工糊制DN75三通89处，各种不同转角弯头75处，平糊对接接头30处。

　　3 水压试验及接口小压试验问题

　　3.1 水压试验

　　《埋地给水排水玻璃纤维增强热固性树脂夹砂管管道工程施工及验收规程》CECS129－2001及《给水排水管道工程施工及验收规程》GB50268－97均规定：管道安装后应尽早进行水压试验，每次水压试验长度不宜超过1km。具体到工程而言，对于长距离供水工程由于受地形限制，管道设计一般随自然坡度及采用埋地式设计，有些地段同一压力等级连续长7～10km，有些地段一个压力等级可能只有不到1km。水压试验的目的是验证管道的渗水量是否符合规程要求以及检验管道的总体质量，水压试验分段长度应结合管径、水源点、地形条件、土壤条件、堵头位置等综合考虑。顶山供水工程管径DN350~DN400、设计压力0.6~1.6Mpa，全长144km，经研究后设计在技术要求中明确指出水压试验分段长度一般3～5km，最大不超过10km。施工当中，经设计、监理、施工单位认真研究分析，根据堵头位置、压力等级确定了现场分段试压长度，其中部分管段分段试压情况见表5，经过详细周密的计算分析、准备，各分段均一次试压成功，经运行未发现任何问题。

　　表5　　　　 顶山供水工程部分管段分段试压情况

　　因此对于中小型管道，分段长度可以适当放大，但必须要有详细周密的措施保证，防止出现管道变形、接头错位等问题。

　　3.2 接口小压试验

　　采用双“O”型橡胶密封圈连接的玻璃钢管道，承插口的两道密封圈之间留有一定的孔隙，通过在两道密封圈之间安装打压嘴进行压力检测可以很快发现接头安装的是否正确，俗称“小压试验”。小口径管道施工一般均不做要求，通过水压试验来验证安装的正确性。但通过对本工程流沙段的实施发现，由于受安装工人的素质影响，个别管道安装仍然受人工、气温影响较大，因此对于地形起伏较大、气温变化剧烈（比如沙漠地区）、穿越交叉建筑物等地段，最好坚持安装后立即进行小压试验，以保证整个管道安装之后的气密性，避免返工，影响工期。

　　后记：

　　本文简要的介绍了顶山长距离供水管道工程在设计应用当中遇到的几个问题，并结合实际情况提出了解决方案。长距离供水管道工程设计较为复杂，其管材选择、断面布置、进排气阀设置、水锤防护、连接形式、阀井设施布置与城市供水有较大差别，均需要进行认真、细致的研究，与已建类似工程进行比较及针求专家意见是非常有效的措施，比如本工程排气阀布置、分段试压等均与规范有所不同，但经过仔细分析、计算、选择，参考类似工程取得的经验，实践证明措施是有效的。

　　顶山供水工程2001年9月份开工兴建，2002年8月份实现通水，有效施工期仅6个月，月平均开挖、安装、回填24km，分段试验完全合格，系统试压一次通过，运行至今未出现任何质量问题，主干管网上各类控制蝶阀、进排气阀、闸阀等运行状况良好。高峰期间为施工区域持续供水7500m3/d，有效地保证了顶山至三个泉施工区段的生产、生活用水，为该工程主体工程顺利实施提供了可靠保障。

　　参考文献
[1] 岳红军编，玻璃钢夹砂管道，科学出版社，1998年
[2] 新疆永昌复合材料有限公司，玻璃钢管、罐工程设计手册，1999年

　　[3] 新疆水利厅，新疆农村改水防病工程设计大纲，1995年