1、大中型长距离输水管道工程设计体大中型长距离输水管道工程设计体会会交交 流流 内内 容容工程设计体工程设计体会会二二工程案例简工程案例简介介三三长距离输水管道工程现长距离输水管道工程现状状一一长距离输水管道工程现长距离输水管道工程现状状一一解决缺水问题：我国人均水资源拥有水量少，且时空分布极不均匀。总体而言我国人均水资源拥有水量少，且时空分布极不均匀。总体而言：北方水资源贫乏，南方水资源相对丰富北方水资源贫乏，南方水资源相对丰富。对象：城市供水、农业灌溉、河流生态补水、大型企业生产用水对象：城市供水、农业灌溉、河流生态补水、大型企业生产用水等等改善饮水质量：随着人民生活水平的提：随着人民生活水平
2、的提高，除了解决有水可用问题，更要高，除了解决有水可用问题，更要满满 足人民对优质水源的强烈渴求足人民对优质水源的强烈渴求。目前以南水北调工程为标志的一批大型引调水工程已经目前以南水北调工程为标志的一批大型引调水工程已经开始发挥显著的社会、开始发挥显著的社会、经经济效益。其他的跨区域、跨流域的大型引调水工程也陆续上马济效益。其他的跨区域、跨流域的大型引调水工程也陆续上马。（一（一）长距离调水目长距离调水目的的（二）输水方（二）输水方式式室外给水设计规范要求：原水输送宜选用管道或暗渠（隧洞），输送原水室外给水设计规范要求：原水输送宜选用管道或暗渠（隧洞），输送原水，水量较大时可采用明渠输水方式，
3、但须有可靠的防止水质污染和水量流失的安全措施水量较大时可采用明渠输水方式，但须有可靠的防止水质污染和水量流失的安全措施。城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程要求：当采用明渠输送原水时城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程要求：当采用明渠输送原水时，必须有可靠的水质保护和减少水量流失的措施必须有可靠的水质保护和减少水量流失的措施。明渠输水为无压自流形式，其优点是输水量大、投资较低、施工较简单。但是明渠输水为无压自流形式，其优点是输水量大、投资较低、施工较简单。但是，明渠受地形影响较大、水量蒸发渗漏损失较大、沿途污染难以控制、日常运行管理明渠受地形影响较大、水量蒸发渗漏损失较大、沿途污染难以
4、控制、日常运行管理较较 为困难，需大量永久征地，增加项目实施难度为困难，需大量永久征地，增加项目实施难度。在条件允许的前提下推荐使用管道输水在条件允许的前提下推荐使用管道输水。随着管道制造技术的进步，也为管道。随着管道制造技术的进步，也为管道输输 水创造了条件水创造了条件。（三）输水管道工程设计流程工程任工程任务务 和规和规模模初步选初步选线线测量、勘测量、勘探探比选推比选推荐荐 输水线输水线路路管管道道 水力计水力计算算管管道道 材料比材料比选选管道附管道附属属 设设施施过渡过程（过渡过程（水水 锤）计锤）计算算投资估投资估算算工工程程 初步设初步设计计工工程程施工图设施工图设计计可行性研究
5、初步设计施工图设计专专题题工程设计体工程设计体会会二二（一）工程任务与规模城市供水对象：生活用水、建筑三产用水、浇洒道路绿地、河道景观等。用水量一般根据城市人口规模和水平年（现状、设计），按定额（综合用水定额）计 算。工业用水根据工业企业用水规模或工业增加值核定。农业用水农田灌溉、林草、畜牧养殖等农田灌溉、林草、畜牧养殖等。生态用水-河道生态补水。供水对象（一）工程任务与规模工程规模即输水管道的设计供水能力，要考虑用水量标准，变化系数等。原水输水管道按照水厂设计规模+水厂自用水量+水厂之前输水管道的漏损水量。清水输水管道常见2种情 况（1）末端有调蓄水池的按照高日供水量设计；（2）末端无调蓄水
6、池的按照高日高时供水进行设计。（二）管线布置 管道布置主要影响因管道布置主要影响因素素地形、地质条件，建设征地、重要穿越（公路、铁路、河渠），施工条件，运行地形、地质条件，建设征地、重要穿越（公路、铁路、河渠），施工条件，运行管管 理便利性等理便利性等。管道布置方管道布置方式式直埋直埋：管顶覆土，冻土深度、外部荷载、抗浮、抗冲刷，与其他建筑物的交叉管顶覆土，冻土深度、外部荷载、抗浮、抗冲刷，与其他建筑物的交叉、穿越林（农）田时与植物根系的关系穿越林（农）田时与植物根系的关系。明敷明敷：地面明敷、管桥地面明敷、管桥、隧洞内明敷管隧洞内明敷管道道 穿越：穿越：沉管、顶管、水平定向沉管、顶管、水平定
7、向钻钻（三）管道材料 金属管道：金属管道：球墨铸铁管、普通钢管、复合钢管球墨铸铁管、普通钢管、复合钢管。混凝土管：钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、混凝土管：钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管预应力钢筒混凝土管(PCCP(PCCP）。塑料管：塑料管：PVCPVC管、管、PEPE管管。复合管：玻璃钢管、钢丝网骨架复合管：玻璃钢管、钢丝网骨架PEPE管、孔网钢带塑料复合管管、孔网钢带塑料复合管。球墨铸铁球墨铸铁管管钢丝网骨架钢丝网骨架P PE E管管PCCPCCP P钢钢管管（三）管道材料球墨铸铁球墨铸铁管管目前球墨铸铁管已逐步扩展到自来水、水利、污水目前球墨铸铁管已逐步扩展到自
8、来水、水利、污水、管廊、煤气、热力等行业。近年水利工程已大量采用管廊、煤气、热力等行业。近年水利工程已大量采用。口径口径：DN802600DN802600系列：系列：K K级管级管（K7K7、K8K8、K9K9、K10K10、K11K11、K12K12）；）；C C级管级管（C25C25、C30C30、C40C40）优优势：耐腐蚀性强，耐久性好；柔性接口，可借角势：耐腐蚀性强，耐久性好；柔性接口，可借角；抗不均匀沉降性能好；抗不均匀沉降性能好；可埋设也可明敷，可以顶可埋设也可明敷，可以顶管管 施施工和水平定向钻进施工等工和水平定向钻进施工等。施工快，节约工期，施工费用低施工快，节约工期，施工费
9、用低。综合造价适中综合造价适中。（三）管道材料PCCPPCCP管管PCCP管道最早出现在管道最早出现在法国，并在美国得到了充分应用。法国，并在美国得到了充分应用。我我 国在大型调水工程中大量使用国在大型调水工程中大量使用PCCP管道，生产厂家较多，大口管道，生产厂家较多，大口径径、低压力输水工程有一定的价格优势、低压力输水工程有一定的价格优势。我国从我国从90年代初引进年代初引进PCCP，在辽宁大伙房引水工程、南水，在辽宁大伙房引水工程、南水北北 调中线等输水工程以及电力循环水管道工程得到应用调中线等输水工程以及电力循环水管道工程得到应用。优点：优点：解决了预应力混凝土管的渗水问题，大口径有价
10、格优势解决了预应力混凝土管的渗水问题，大口径有价格优势。缺点：缺点：承压低，对运输及吊装承压低，对运输及吊装要求高，不能磕碰；安装及运行过要求高，不能磕碰；安装及运行过程程 中发现有钢丝断裂现象，偶有爆管的事故发生。糙率系数稍大中发现有钢丝断裂现象，偶有爆管的事故发生。糙率系数稍大。（三）管道材料普通钢普通钢管管焊接钢管通过钢板或钢带经过卷曲成型后焊焊接钢管通过钢板或钢带经过卷曲成型后焊接接 制成的，按焊缝的形式分为直缝焊管和螺旋焊管制成的，按焊缝的形式分为直缝焊管和螺旋焊管。大口径输水用钢管多选用螺旋焊管大口径输水用钢管多选用螺旋焊管。优点：优点：承压等级高，机械强度好，对地形适应行好承压等
11、级高，机械强度好，对地形适应行好。缺点：缺点：防腐性能相对较差，使用寿命短，特别接防腐性能相对较差，使用寿命短，特别接口口 处现场防腐质量难于保证，为延长使用寿命，通处现场防腐质量难于保证，为延长使用寿命，通常常 还需要采用阴极保护还需要采用阴极保护(外加电流阴极保护或牺牲阳外加电流阴极保护或牺牲阳极极 保护保护)。（三）管道材料复合钢复合钢管管采用焊接连采用焊接连接接优点：承压能力强，抗腐蚀性能好，机械强度高，糙率低优点：承压能力强，抗腐蚀性能好，机械强度高，糙率低。缺点：接口的防腐需现场处理，质量控制是关键，施工周期长缺点：接口的防腐需现场处理，质量控制是关键，施工周期长，造价高造价高。（
12、四）管道水力计算管道总水头损失=管道沿程水头损失+管道局部水头损失。室外给水设计规范GB50013：混凝土管（渠）及采用 水泥砂浆内衬的金属管道谢才公式；输配水管道、配水管网水力平差计算:海曾-威廉公式；塑料管采用达西公式。建筑给水排水设计规范GB50015：海曾-威廉公式（所有管材）；城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规范CECS193-2005，水力计算按室外给水设计规 范GB50013的规定消防给水及消火栓系统技术规范GB50974：水泥砂浆内衬铸铁管谢才公式国外：多采用海曾-威廉公式公式一：海曾-威廉（Hazen-Williams）公式：2019-5-14曼宁公式适用于水力粗糙区，适
13、用条件为曼宁公式适用于水力粗糙区，适用条件为:0.1mR3.0m;0.011n0.04公式二：谢才公式二：谢才（Chezy）公式公式：i单位长度管道的水头损失（水力坡降）恒定流计算恒定流计算沿程水头损失计沿程水头损失计算算需要指出的是需要指出的是：管径和流速对管道摩阻系数都有所影响，但管径和流速对管道摩阻系数都有所影响，但管径对海曾-威廉公 式的影响要小于对谢才公式的影响，即谢才公式的影响，即海曾-威廉公式更适合于长距离 输水管道的水力计算。糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取室外给水设计规范给出的参考值：对球磨铸铁管美国水行业协会编制的球墨铸铁管应用手册M41球墨铸铁管道和管件采用海曾-威廉
14、（Hazen-Williams）公式作为球墨铸铁管的水力计算公式。球墨铸铁管研究协会在试验后建议，带有水泥内衬的球墨铸铁管海澄曾-威廉系数Ch合理 取值为140。其水头损失计算误差理论上不超过13%。美国水道协会杂志在1961年6月刊登了各种内表面状态管的海曾威廉摩阻系数值（Ch）。其中，采用手抹施工的水泥砂浆内衬管的系数值为136；采用离心法施工的水泥砂浆内衬管的系 数值为150。日本久保田铁工株式会社出版的球墨铸铁管手册：水泥砂浆内衬球墨铸铁管“Ch”值为140-150。由于管子内面不产生锈瘤，所以这个数值 经过长年使用也不变化。糙率系数n 与海曾-威廉系数Ch选取建议：建议：在方案设计、
15、项目建议书及可行性研究阶段，管道的局部水头损失可按沿程水 头损失5%10%进行估算，具体比例取值应综合考虑管路沿线的地形复杂程度、管道长 度及阀件、管件的数量来确定，在初步设计、招标设计及施工图设计阶段，须按上述公 式计算管道的局部水头损失。水头损失计算不宜过于保守，水泵扬程计算不应留过大裕度。gvhj22 对于设计流速和运行压力较低且管道较短的简单有压重力流输水系统，水锤分析及防护设计采用水锤经验计算公式或参照同类工程进行；对于管道较长的输 水系统，水锤分析及防护设计应进行水力过渡过程数值模拟计算分析后，确定水 锤防护措施；对于重要的或较复杂的长距离输水系统，还应进行对比分析计算后，确定水锤
16、防护措施。建议：建议：对于重要的大型工程，应设立水锤计算分析专题，建议由两个以上专 业水力分析机构对比计算，来确定最优的水锤防护方案。有压输水系统经水锤计算分析采用水锤防护措施后，瞬态特性参数应满足以下要求：1、包括最不利工况下水锤压力的管道设计压力不宜超过1.31.5 倍管道工作压力；2、有压输水管道任何部位不应出现水流汽化、液柱分离现象。常用的水锤防护措施常用的水锤防护措施：双向调压塔；单向调压塔；压力空气罐；空气阀；超压泄压阀；液控缓闭止回阀；对水泵扬水工程也可考虑在适当范围内增加机组自身的转动惯量值。（五）管道附属设施输水管道沿线设置控制阀、检修阀，进排气阀、放水阀、流量计、调流调压阀
17、、压力变送器、压力表等附属设备。还应根据需要设置水锤 防护设施及建设智慧工程所需的其他工程措施。（五）管道附属设施 检修阀的种检修阀的种类类蝶阀、闸阀、球阀、偏心半球阀（手动、电动）设置位置设置位置：输水管道沿线、穿越河沟、高速、铁路等前后，泵房内等 检修人检修人孔孔（五）管道附属设施 作作用用：大量排气大量排气：管线第一次通水时，及时排出空管时的大量空气 微量排气微量排气：管线正常输水时，及时排出管线中的部分气体大量吸气大量吸气：管线维修及放水时，及时补充管线所需的大量气体 设置位设置位置置 管道每隔500800m,管道沿线高点 水泵出口处阀体（五）管道附属设施 主要作用主要作用：引水工程中
18、主要用于流量调节或作为减压阀使用，常安装于管路靠末端处或其他合适的位置。常用形式常用形式：活塞式（内聚式）、固定锥（环喷式）选型选型：根据进出口压力,流量范围等,经计算后选取合适的 压力等级、口径及内部调流部件型式。（六）泵站设（六）泵站设计计1、合理选择水泵扬程（装机规模、运行效率、供水能力、稳定性）。2、泵型及泵组台数的合理选择，对高扬程输水线路还存在泵站级数的合理 选择问题（灵活性、投资、运行费用）。3、流量调节方式的合理选取问题（大小泵搭配、叶片角度、变频）4、水泵安装高程问题（投资、安全）5、泵站内辅助设备的合理配置（投资、安全）实际工程设计中需特别考虑的问实际工程设计中需特别考虑的
19、问题题：近远期规模差异对管道安全输水的影响问题；对水泵输水管道而言，水泵选型如何适应近、远期供水规模的不同或管道糙率变化问 题；对多级泵站串联工程，解决好各级泵站间流量匹配问题。输水系统水力过渡过程计算及水锤防护问题。工程案例简工程案例简介介三三多分支供水工程的水锤计算与防护在输水线路上设置3座调 压塔后，各支线末端设置调流 调压阀，按计算给定的开、关 阀规律和时间运行，可有效防 护管道正常运行爆管工况下产 生的水锤。各支线水厂端阀门单独关 闭工况 各支线水厂端阀门同时关阀工况 各支线水厂端阀门依次开阀 工况水锤防护措施：在主管线桩号K14+420附近设置一座双向调压塔，断面直径15.0m，其
20、 顶部高程为101.0m；在桩号K32+900附近设置一座单向调压塔，断面直径10.0m，其顶部高程 为66.50m；在桩号K68+520附近设置一座单向调压塔，断面直径为10.00m，顶高程为59.81m。(1)各支线水厂端阀门单独关闭时防护要求在各个支线水厂正常运行工况下，当支线需要停水时，规划水厂01、02、03、04支线末 端水厂阀门可以较快速关闭，其中规划水厂01阀门关闭时间应大于50s，规划水厂03阀门关 闭时间应大于42s，规划水厂04阀门关闭时间应大于50s，规划水厂02阀门关闭时间应大于 40s；规划水厂05单独关闭阀门时，水厂阀门的关闭时间应大于420s。（2）各支线水厂端
21、阀门同时关阀对于同时关阀工况，为满足各管段的压力控制标准。规划水厂01、02、03、04、05阀门 关闭时间应分别不小于75s，162s，210s，233s，1940s。该项目为蒙古国OT矿工程提供生产及生活供水，在矿区外约32km67km处新建五处水源地，将五处水源地串联向矿区供水，最大供水量0.9m3/s，工程 由5组共33眼水源井，5个井群加压泵站（CT1CT5），一座中途加压泵站(BTP)，一座高位水池(LAGOON)组成，主输水管线长度67.2km，井群汇流管线 83.5km。蒙古国蒙古国OTOT矿供水管道工矿供水管道工程程水锤防护水锤防护：压缩空气罐压缩空气罐+液控止回蝶阀液控止回蝶阀+空气空气阀阀蒙古国蒙古国OTOT矿供水管道工矿供水管道工程程井泵房管线CT泵房蒙古国蒙古国OTOT矿供水管道工矿供水管道工程程兰州第二水源工程为我公司EPC项目，工程从 刘家峡水库引水，经31.5km的有压隧洞引入兰州市 新建的两座规模分别为100万吨/天和50万吨/天的 彭家坪水厂和芦家坪水，经水厂处理后重力流接入 兰州市城市管网。水厂至城市管网之间重力流管道，管径 DN1400-DN1800，管材为球墨铸铁管和复合钢管。谢谢 谢谢！
