陳涌城
中國市政長程華北設計研究院
天津市河西區氣象臺路99號 郵政編碼 300074

　　提要：概述華北院承擔在建長距離輸水工程實例，論述長距離輸水工程管材的選擇，水錘的防護技術與安全措施，經濟流速的計算與經濟管徑的確定方法。

　　華北設計院自78年以來承擔和參加國內大型長距離輸水工程累積18項之多，如天津市“引灤入津”工程，大連市“引碧入連”工程，石家莊引崗黃水庫水工程等等，目前正在設計或正在施工中尚有8項，列表如下：

長距離輸水工程在建項目表 序號 工程名稱 工程簡介 工程進展情況 1 邯鄲市“岳濟邯”工程（二期） 岳城水庫至鐵西水廠，管道總長56km（重力流），規模10萬m3/d，工壓0.4-0.5Mpa，采用DN1200預應力混凝土管長36km，DN1400預應力混凝土管20km。輸水線路走向同一期 施工圖設計階段 2 長治市辛安引水工程（二期） 辛安水源至長治水廠輸水規模8.64萬m3/d(lm3/s)，采用DN1000鋼管，δ=10mm，工壓1.8Mpa，L=12km；DN1000預應力混凝土管，工壓0.6Mpa，L=12km；DN900預應力混凝土管，工壓0.6Mpa，L=12.17km 正在進行管材與施工隊伍的招投標。 3 衡水市“引湖入衡”工程 衡水湖至衡水市水廠，規模10萬m3/d，工壓0.4Mpa，采用2根DN800預應力混凝土管，管長L=9.8km(其中穿越河道采用鋼管) 取水工程正在施工，取水管道已敷設6km。 4 呼和浩特市引黃供水工程 黃河浦灘拐至金河水廠，總長82.16km1）二道洼水庫上段，規模40萬m3/d，采用二根DN1600球墨鑄鐵管，長2.73km，工壓0.8Mpa；采用DN2000PCCP管（預應力鋼套筒混凝土管），長62.96km，工壓0.6Mpa。2）二道洼水庫下段（重力流），規模20萬m3/d，采用二根DN2000預應力混凝土管，工壓0.4Mpa，長16.47km。 取水泵站正在建設，二根球墨鑄鐵管敷設完畢，PCCP管與PCP管正在施工。 5 溫州珊溪水庫樞紐供水工程 1）陳岙泵站至浦東隧洞，規模34.1萬m3/d，工壓0.6Mpa，采用DN1800鋼管，δ=16mm，長12km（西線）2）陳岙泵站至狀元水廠，規模39.6萬m3/d，工壓0.6Mpa，采用DN2000鋼管，δ=18mm，長22km（東線） 陳岙泵站建完，西線工程開始，東線管道施工圖設計完成。 6 唐山市陡河水庫供水工程 陡河水庫至唐山市水廠1）近期規模15萬m3/d，采用DN1400預應力混凝土管，工壓0.6Mpa，管道長18.68km。2）遠期規模10萬m3/d，工壓0.6Mpa，采用DN1200預應力混凝土管，管道長18.68km。 施工圖設計階段 7 大連莊河市朱隈水庫供水工程 朱隈水庫至水廠（重力流）規模10萬m3/d，工壓0.4Mpa，采用二根DN1000預應力混凝土管，管道長16km。 計劃開工

　　在華北院承擔18項長距離輸水工程中，其中有7項屬重力流輸水，11項屬壓力流輸水。從節約能源的角度考慮，有條件的情況下，采用重力流的形式是合理的。長距離輸水工程的輸水方式較多，天津市“引灤入津”工程比較典型，該工程幾乎包括了長距離輸水各種型式和內容。“引灤入津”工程長234km（自大黑汀水庫至天津市內）。工程包括開挖長11.38km規模60m3/s的隧洞；利用并整治加固57.6km的天然河道-黎河，利用加固已有的庫容15.59億m3的于橋水庫，利用整治56.0km卅河；開挖規模50m3/s長44km與規模30m3/s長26km專用輸水明渠；新建4500萬m3爾王莊調蓄水庫；新建規模20m3/s長26km二孔斷面為3.35m×3.35m的砼暗渠；敷設規模110萬m3/d管徑DN2500長10.67km和規模55萬m3/dDN1800長3.67km的鋼管；新建50萬m3/d新開河水廠。

一、長距離輸水工程管材的選擇

　　在長距離輸水工程中，管材的選擇一般要根據工程的規模，管道的工作壓力，輸水距離的長短，工程的進度與重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地質情況，當地管材的生產狀況，應用管材的習慣，特別是工程的資金的落實情況，而后進行技術、經濟、安全等方面論證綜合比較后確定。
　　我國地域廣闊，各地區的地形地質自然狀況不一樣，經濟形勢與應用管材的歷史狀況也不一樣，而每項工程又都具有自己的特殊性，因此長距離輸水工程管材的應用也是多種多樣的。某一種管材在一個地方、一個工程被選用，其經濟技術方面的合理性，而在另一個地方、另一個工程就不一定合理，這就形成市場經濟的今天，出現各種不同管材的競爭原因之一。
　　根據我們參加長距離輸水工程設計經驗，特別這幾年我國引進大量的新型管材和新的生產工藝，管材的優化尤為重要。目前長距離輸水工程大都在鋼管、球墨鑄鐵管、予應力砼管與予應力鋼筒砼管、玻璃鋼管等方面選擇。

二、長距離輸水工程水錘的防護技術與安全措施

　　凡是有泵及壓力管道的地方就會有水錘，因此水錘是長距離輸水工程的一個重要的技術問題，也是造成工程事故的一個主要原因。
　　對泵站及管路系統的水錘問題是國內外研究與防護的重要內容。長距離輸水采用壓力流輸水時，在泵站系統為防止水錘的危害，一般采用調壓井(雙向、單向)，水錘消除器、液控蝶閥、緩閉止回閥、旁通管泄壓等形式。另一方面長距離輸水管道較長，起動水泵時引起水錘造成管道破壞的現象也較多。因此大都要進行認真的分析研究，呼和浩特引黃工程在設計階段就聘請有經驗部門對水泵不同的工況進行水錘分析計算和研究，一方面解決設計中的問題，同時也對將來的運行提出要求。
　　長距離輸水工程中應充分的認識到水柱彌合水錘的危害。在長距離輸水管道中，流速變化是經常出現的，管道中水流速度變化時，致使管道中水壓力的升高或降低，在壓力低于水的氣化壓力時，水柱就被拉斷，出現斷流空腔，在空腔處的水流彌合時將產生強烈的撞擊，管道中的水升壓，則就形成斷流彌合水錘，彌合水錘升值很大，在實驗裝置觀測到的竟達到工作壓力的2-4倍，因此其對輸水安全性的危害很大。
　　水在輸水管道運行時，實際上是水氣兩相流。因此在長距離輸水管道設計時，應依據輸水管道的縱向布置，分析研究計算可能出現的不同工況下水的流動狀態，選擇合適的位置(一般在駝峰處)布置一定數量的排氣閥，在管線的水平段，排氣的問題更突出，因此在設計時一般人維的把管線布置成一個高點，設置排氣閥，而且水平距段根據經驗一般在600m～1000m設置一處。另外排氣閥的選擇也很重要，因為管道中運行時，水在管道中的狀態很復雜。根據國外水錘研究者提供氣水兩相流可分為六種流態，即層狀流、波狀層、段塞流、氣團流、泡沫流、環狀流，由于水流流態的復雜性，也就產生了排氣的困難，因此除了確定排氣閥的合理數量，合適位置，對排氣閥種類與性能也應充分重視。
　　近年來為保證輸水安全，特別是防止水柱彌合水錘過壓產生的危害，在輸水管道中適當的設置超壓泄壓閥(也稱為壓力波動予止閥)效果較好。
　　長距離輸水工程中在工藝設計時，采用安全、合理、經濟的水錘防護措施，效果較好，但不能做到全部去除，因此在管道的結構設計中也有所考慮。我國的給水排水管道結構設計規范(報批稿)中已明確，管道的設計內壓力為管道工作壓力的1.4～1.5倍。主要解決管道的試壓與管道產生的殘余水錘的危害。保證輸水工程的安全。

三、經濟流速與經濟管徑的選擇

　　長距離輸水工程經濟管徑的確定，關系著輸水工程的合理性和工程的總造價。在經過技術方案的論證、優化選擇了最佳方案后，尚要進行管材的論證比較，然后再進行經濟流速的計算，確定經濟管徑。
　　經濟流速的計算方法種類很多，各國都有不同的計算方法。一般講有采用公式直接計算的，有采用基建投資+20年電費(有的也采用10年電費)進行計算比較的。改革開放以來，我們與國外接觸交流頻繁，引進了較為流行的動態法。動態法種類也有不同的形式，目前我們在亞行、世行、日元貸款項目中應用年值法與凈現法較多。
　　(1) 年值法
　　公式：
　　A=1.4Q·H·S+[(1+i)ⁿ·i/(1+i)^N-1]·C
　　A：管線年成本(元/米·年)
　　Q：管線流量(立米/日)
　　H：每1米長管線水頭損失(米/米)
　　S：電費單價(元/度)
　　i：投資收益率(%)，我國一般取6～10%。
　　N：計算年限 N值一般取20年
　　C：單位長度管道綜合投資（元/米）
　　利用亞行貸款項目在進行輸水管道的經濟流速計算，確定經濟管徑時一般采用該公式，為了能較好的反映電費的變動，并對年電費的數值取影子電費，這樣可更切合工程的實際狀況。
　　(2) 凈現值法
　　W=C+[(1+i)^N·i/(1+i)^N-1]·A
　　W：費用總值（元）
　　C：管道初期建設投資(元)
　　A：年經營費（元），即電費、折舊費、大修費總和
　　N：計算年限，N值一般可取20年
　　i：投資收益率，我國一般取6-10%。
　　由于經濟的發展，我國各個地區用水量都普遍的增加，而另一方面，由于經濟發展和人類的活動、環境的污染也漸嚴重，很多地區附近的水不能應用（如溫州市），這樣就使長距離輸水工程近些年來發展很快，長距離輸水工程的許多技術問題都有待更深入的研究和提高，上述幾方面的僅為幾個部分，還有一些設計、施工、運行管理方面的問題應加強研究。