7.4 原水输水工程
7.4.1 工艺设计
7.4.1.1 设计原则
（1）符合城镇建设总体规划和区域规划。
（2）优化设计方案，保证输水工艺和设计参数经济合理。
（3）提高输水安全可靠性，降低能耗，减少漏损，节约投资，采用行之有效的新技术、新材料和新设备。
（4）减少拆迁，少占农田，保护环境。
（5）施工、运行和维护管理方便。
（6）穿越河流、铁路、公路等障碍物时应符合国家现行有关标准的要求。
（7）遵循国家现行有关设计规范、标准的要求。
7.4.1.2 输水管道管材比选
输配水工程的根本任务是连续供应有压力的水，同时降低输水费用。目前，国内可用于长距离埋地给水输水的管材主要有钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、PCCP、PE管等。每一种管材都有各自的特点。所以根据工程要求选择管材时，必须熟悉各种管材的材质、使用条件。根据以往长距离输水工程的经验，符合要求、经济合理、安全可靠的管材应满足以下要求：①安全可靠性好，能承受一定的内外荷载，具有良好的封闭性和抗震性，漏损率低，爆管少，既要耐腐蚀，又不会向水中析出有毒有害物质；②使用年限长，运行成本低，管道材料来源广，管件规格齐全，运输方便，维护管理简单；③水力条件好，内壁光滑不易结垢，管路畅通，水头损失少，确保服务水头，降低动力消耗；④综合造价低，不仅管材本身的造价低，而且运输、施工、安装等其他费用也相对较低；⑤加工、运输、施工、维护管理方便。
根据设计计算，本工程输配水主管线管径在DN600以下，而PCCP管在DN1000以下较其他管材不具有优势，故本工程管材方案比选中首先排除PCCP管材。
玻璃钢管具有糙率低，管材轻的优点，但其强度较低、承压低，要求在堆放时管道高度不能超过2m，而且并排的两支管之间必须有3～6m的空间，管线征地较宽，以保障另一条管运行安全，在工程前期征地协调难度较大，且玻璃钢管道在埋设时，需要首先用砂或砾石铺设垫层，对回填料的要求较高，一般情况下不允许使用原土回填，因此施工非常麻烦、费用也高，如回填密度不到会引起接头处漏水，另外玻璃钢管的内衬采用固性树脂，目前此种材料对饮用水会否产生污染尚无定论，因此玻璃钢管如要用于输送饮用水，必须得到地区级健康卫生部门的检验和认可后方可使用，鉴于以上优缺点比较，本工程管材方案比选中亦排除玻璃钢管。
综上所述，本工程分别就钢管、球墨铸铁管、PE管3种不同的管材进行分析比较，选出较优管材。
1.水力条件分析
决定管材水力条件的因素主要为糙率和管径，工程设计中常常按经济流速确定管径，但不同管材的管道内壁磨擦系数不同，一定输送距离下其水头损失hf也不一样。在满足相同的供水流量Q、压力P、水头损失等工程设计参数时，不同管材管径不同。水头损失计算公式如下：
将公式V=
带入式（7.4-1）可得
另将曼宁公式C=
代入式（7.4-2）可得
式中 hf——管道沿程水头损失，m；
l——管长，m；
Q——管道通过流量，m3/s；
d——管内径，mm；
C——谢才系数；
n——管壁粗糙系数。
由式（7.4-3）可知，管道的沿程水力损失与管道的管壁粗糙系数n的平方成正比。
参考国内已建工程经验及室外给水设计规范条文说明中沿程水头损失水力计算参数值，钢管及铸铁管的管壁粗糙系数一般取值为0.012，聚乙烯管（PE）的管壁粗糙系数一般取值为0.0095，经计算比较可以得出，在流量Q，管道内径d，管道长度L都相同的情况下，设钢管、铸铁管沿程水损为h1，聚乙烯管（PE）沿程水损为h2，两者之间关系为h1=1.6h2。
2.物理性能分析
下面就三种管材的物理性能进行对比分析，见表7.4-1。
表7.4-1 不同管材物理性能分析表
从表7.4-1中可以看出，在管材的重量中PE管具有较大的优势，在施工运输以及安装过程中的吊装都可以节省投资；在管径小于等于DN500时，同长度球墨铸铁管的重量低于钢管，在管径大于DN500时，同长度球墨铸铁管的重量高于钢管；钢管的抗拉性能优越，适应性较强，其次是球墨铸铁管，PE管的抗拉较低，所以对地质条件要求较高；PE管的抗腐蚀性最强其次为球墨铸铁管，钢管抗腐蚀性最差。
3.投资成本分析
在整个输配水工程中，管材价格能占到工程总投资的50%以上，所以选择合适的管材对工程总投资有着很大的影响。表7.4-2为各种管材现阶段的价格对比分析表。
表7.4-2 管材价格分析表 单位：元/m
从表7.4-2可以看出，钢管的价格比较贵，小管径的球墨铸铁管和PE管的价格比较接近，大管径的球墨铸铁管比较便宜。
4.综合性能分析
对三种管材的综合性能进行分析对比，具体见表7.4-3。
表7.4-3 管材综合性能分析对照表
5.推荐管材
本工程自五指山河取水口至净水厂段输水管线长约6.0km，两点间净高差约60m，考虑供水管道的安全系数，由计算可知，该段管道承压为1.0MPa；由于钢管材料价格较贵而且需要防腐措施，接口需要特殊处理，安装及后期维护难度较大；PE管价格较贵，并且对安装要求较高，本工程沿线较多岩石，容易对PE管外壁造成破坏；综合考虑管材造价、综合性能、水力条件等各种因素，暂推荐五指山河取水口至净水厂的输水管线采用球墨铸铁管，在穿路、穿河、架渠、明铺架桥等特殊地段采用安全性较高的钢管。
6.管道管材壁厚
输配水管线不同管径的球墨铸铁管及钢管的壁厚见表7.4-4。
表7.4-4 不同管径的球墨铸铁管及钢管的壁厚表
7.4.1.3 单双管选择
根据《室外设计规范》（GB 50013—2006），“输水干管一般不宜少于两条，当有安全贮水池或其他安全供水措施时，也可修建一条输水干管”。输水管线的数目应根据工程所要求的保证程度经过技术经济比较来确定。
为了保证五指山河取水口重力自流至净水厂，根据多次现场查勘及水力计算，输水管线始端需紧临河岸布置且起始端埋深较深，之后输水管线穿越七指岭倒虹吸后沿南圣河左岸水南线公路左侧铺设至现有军民渠再沿渠敷设至军民电站压力前池，由于受地形条件限制，该段输水管线不易敷设成双管，另外远期还可自七指岭取水，并且本工程还设有紧急备用水源，因此五指山河取水口至军民电站压力前池段输水管线采用单管敷设。将军民电站的压力前池作为紧急备用水源，因此在压力前池后采用双管敷设，重力自流至净水厂，在桩号Kc4+615之后的输水管线采用双管敷设。
7.4.1.4 管道设计流量
本供水工程主要分为取水、净水和输配水主管线等几大部分。本工程输配水管线布置示意图见图7.4-1。
图7.4-1 工程输配水管线布置示意图
五指山河取水口至净水厂段输水管线按远期规模一次建成。本工程净水厂自用水系数取6%，输水管线漏损系数取4%，因此五指山河取水口近期取水量为1.65万m3/d（0.191m3/s），远期五指山河取水量达到1.98万m3/d（0.229m3/s），则五指山河取水口见图7.4-1中B所示位置处的管道设计流量为1.98万m3/d（0.229m3/s），该段输水管线长度约1.48km；远期工程总取水量为3.3万m3/d（0.382m3/s），则图7.4-1中B至C段输水管线设计流量为3.3万m3/d（0.382m3/s），输水管线长度约3.14km，图7.4-1中C至净水厂与压力前池至净水厂两段输水管线为双管同槽敷设，因此每段输水管线的设计流量均为1.65万m3/d（0.191m3/s），输水管线长度约1.43km。
五指山河取水口至净水厂之间各段输水管线的设计流量见表7.4-5。
表7.4-5 五指山河取水口至净水厂之间各段输水管线设计流量
7.4.1.5 管道水力分析
合理确定重力输水管道的直径，对保证管路系统的正常供水及降低工程投资有着十分重要的意义。供水管道的直径与输水流量的大小有关。当流量一定时，随着管径的增大，管路阻力损失减小，但管道造价相应会增加。相反，管径减小，虽可降低管道造价，但管路的阻力损失增大。
本工程输配水管线布置示意图见图7.4-1。
1.五指山河取水口至净水厂重力输水管道
五指山河取水口至净水厂段输水管线按远期规模一次建成。该段输水管线总体呈现缓慢下降的趋势，始端取水头部设计最枯水位为464.50m，末端净水厂配水井最高液位标高约为404.6m。起点与终点之间地面净高差约60m，地形高差较大，可利用势能较多，整段管线均可重力自流供水。
（1）五指山河取水口至图7.4-1中B段输水管道。对五指山河取水口至图7.4-1中B段的输水管道在相同流量同一铺设情况下不同管径的流速进行对比分析，见表7.4-6。
表7.4-6 五指山河取水口至B段重力流管道不同管径的流速分析表
由于五指山河取水口至B输水管道地形起伏较小，且在五指山河与七指岭河交汇处有一倒虹吸，为了满足管线重力自流的要求，应尽量减少该段输水管线的总水头损失，综合比较表7.4-5中的数据，现阶段推荐五指山河取水口至B之间输水管道的管径为DN600。
（2）B至净水厂段输水管道。五指山河取水口至净水厂段输水管线布置示意图见图7.4-2。
图7.4-2 五指山河取水口至净水厂段输水管线布置示意图
由图7.4-2可知，C至净水厂与压力前池至净水厂两段输水管道为双管同槽敷设，因此B至净水厂段输水管道的水力分析情况应分以下两种方式讨论。
1）正常运行工况。正常运行工况下，B至净水厂段输水管线设计流量为3.3万m3/d（0.382m3/s），其中B至C段输水管线采用单管敷设，输水管线长度约3.14km；C至净水厂及压力前池至净水厂两段输水管线采用双管同槽敷设，两段输水管线长度均约1.43km。
对B至净水厂段的输水管道在相同流量同一敷设情况下不同管径的流速进行对比分析，见表7.4-7。
表7.4-7 B至净水厂段重力流管道不同管径的流速分析表
由前面叙述内容可知，五指山河取水口至净水厂段输水管道的总重力势能约为60m，由图7.4-3可知，B至净水厂段输水管道的总重力势能约为58m，为了考虑安全余量，管线末端留10m的自由水头，则B至净水厂段输水管道可利用重力势能约为48m，由表7.4-7并综合考虑各段管道的经济流速和水头损失，该阶段B至C段输水管道的管径选为DN500，C至净水厂与压力前池至净水厂段输水管道有两种管径可供选择，即DN350与DN400两种管径。
2）事故发生时的运行工况。根据《室外设计规范》（GB 50013—2006）中内容，“输水干管和连通管的管径及连通管根数，应按输水干管任何一段发生故障时仍能通过事故用水量计算确定，城镇的事故用水量为设计水量的70%”。则事故时五指山河取水口至净水厂段输水管线各段需通过的最小设计流量见表7.4-8。
表7.4-8 五指山河取水口至净水厂之间各段输水管道最小设计流量
对输水工程中经常发生的两种事故进行分析如下：
①当五指山河取水口至C之间的输水管线发生事故时，则采用压力前池做为供水水源，此时，C至净水厂与压力前池至净水厂两段输水管线为双管输水。对C至净水厂与压力前池至净水厂两段输水管道在相同流量同一敷设情况下不同管径的流速进行对比分析，见表7.4-9。
表7.4-9 C至净水厂与压力前池至净水厂两段输水管道的流速分析表
压力前池至净水厂段输水管道的地形净高差约40m，管线末端留10m的自由水头，则可利用重力势能约为30m。由表7.4-8并综合考虑各段管道的经济流速和水头损失，当五指山河取水口至C之间的输水管线发生事故时，C至净水厂与压力前池至净水厂段输水管道有两种管径可供选择，即DN400与DN450两种管径。
②当C至净水厂或压力前池至净水厂之间的输水管线发生事故时，C至净水厂或压力前池至净水厂段输水管线变为单管输水。
对C至净水厂或压力前池至净水厂段输水管道在相同流量同一敷设情况下不同管径的流速进行对比分析，见表7.4-10。
表7.4-10 C至净水厂或压力前池至净水厂段输水管道的流速分析表
由前面叙述可知，五指山河取水口至B段输水管道管径为DN600，事故发生时，该段管道的水头损失为1.04m；B至C段输水管道管径为DN500，事故发生时，该段管道的水头损失为13.81m；五指山河取水口至净水厂段输水管道总重力势能为60m，管线末端留10m的自由水头，则可利用重力势能共为50m，因此，C至净水厂段输水管道的水头损失最高可达35.2m，由表7.4-9可知，C至净水厂段输水管道有两种管径可供选择，即DN400与DN450两种管径。
综合考虑输水管道正常运行与事故发生时两种工况，暂定C至净水厂与压力前池至净水厂段输水管道的管径选为DN400。
五指山河取水口至净水厂之间各段输水管道的设计流量及管径见表7.4-11。
表7.4-11 五指山河取水口至净水厂各段输水管道的设计流量及管径
7.4.1.6 管道附属设施
管道附属设施包括检修阀、放空阀、进排气阀等，结合地形地势条件，检修阀和进排气阀结合布置。根据供水管道设计规范和运行维护规程，本工程的输水主管线沿线主要设有以下附属设施。
1.检修阀
输水干管的阀门布置，要求能满足检修和事故管段的切断需要，沿线每隔2～3km左右设1个检修阀门，以便管道分段检修。在穿路、穿河等特殊地段酌情增减，以适应供水安全为原则。
五指山河取水口至净水厂输水管线沿线共设置20个检修阀，其中有3个DN600、13个DN500及8个DN400的检修阀，检修阀井内阀门采用偏心半球阀。
2.放空阀
为方便管线检修时排空管内积水，两个隔断阀之间的最低处设置放空阀，根据主管管径和排放时间计算放空阀大小。在放空阀后设置排泥湿井，将排入排泥湿井中的水抽排至相对低洼的地方散排。
五指山河取水口至净水厂输水管线沿线共设置10个放空阀，放空阀井内阀门采用DN150的偏心半球阀；压力前池至净水厂段输水管线沿线共设置1个放空阀，放空阀井内阀门采用DN150的偏心半球阀。
3.进排气阀
本工程输水管道距离较长，排气是个较为重要的问题，为避免由于管道内积气排放不当造成输水量不足甚至发生爆管事故，需根据输水干管布置情况，结合地形，在高点及坡度变缓地段安装排气阀，以保证水流畅通，使水流不易形成气泡，影响管道过水量和水质。
五指山河取水口至净水厂输水管线沿线共设置16个排气阀，其中输水管线前10个排气阀井内采用DN100的进排气阀，后6个排气阀井内采用DN80的进排气阀。
除此之外，还应在输水管线的不同位置处增设相应的测压、测流装置。
管道附属构筑物主要包括进排气阀门井、检修阀门井、放空阀门井、镇墩等。初拟单管阀门井采用砖砌圆形结构，多管阀门井采用钢筋混凝土矩形结构；镇墩采用钢筋混凝土结构。
7.4.1.7 水锤防护措施
1.断流水锤防护
本工程输水及配水管道纵断及水力坡降见图7.4-3。
图7.4-3 五指山供水工程输水管道纵断及水力坡降线示意图
由图7.4-3可知，输水段管线起伏较大，中间有多个U形段，形成多个管线驼峰处，而在这些部位又是气体容易聚集的部位，如果这些部位一旦排气不畅会形成管道内气堵，严重时会断流，大量气体积聚易造成气爆事故；或者当发生水力过渡过程时，整个输水管路系统中水压普遍剧降，在这些驼峰位置，一旦管路中压强急剧下降至当时水温的汽化压以下，液态水将发生汽化，管道中水流的连续性遭到破坏，造成水柱分离，当分离开的两水柱重新弥合时会形成弥合性水锤，严重时会直接造成爆管。
本次工程结合正常排气要求，在这些关键部位建议在下阶段经过深入水锤计算后，根据水锤计算结果设置恒速缓冲进排气阀，能保证管道在运行过程中大量排气避免气体积聚，在管道压力下降时能正常补气，从而避免产生负压，消除断流水锤。
2.关阀水锤防护
本段重力流管线末端设置有调流控制阀，在未来运行过程中由于阀件及管道接头等部位漏水、管道爆裂或者调试结束需要停运时，需首先关闭末端出口控制阀，而如果此关闭操作不当，如关闭时间过快，水流受阻回流碰撞，碰撞水头不断叠加，造成管道内压力急剧升高，从而形成关阀水锤。
由于本段管线始末端高差较大，末端管线承压等级较高，富裕水头较大，一旦因操作不当造成关阀水锤，后果不堪设想。因此末端控制阀的关闭规律需要经过下阶段详细水锤计算进行确定，并根据计算结果提出建议的阀门关闭规律。
7.4.2 管道防腐
本供水工程的输水线路管道主要采用球墨铸铁管，在穿路、穿河、架渠、明铺架桥等特殊地段采用安全性较高的钢管，阀井内和放空阀管采用钢管，阀井和管理房主要是钢筋混凝土结构。
7.4.2.1 球墨铸铁管道防腐设计
球墨铸铁管道在土壤的作用下会产生腐蚀，不采取适当的保护措施将会导致快速腐蚀暴管。球墨铸铁管道防腐分为内防腐和外防腐。
1.球墨铸铁管外防腐
（1）防腐层技术要求。
1）涂层要与球墨铸铁管之间有良好的附着力。
2）耐化学介质腐蚀（包括酸碱性土壤及酸性大气腐蚀）。
3）机械物理性能好（硬度、耐磨性、柔韧性）。
4）露天部分耐候性好（包括潮湿气候及强紫外线）。
5）耐微生物及昆虫和鼠害。
6）埋地部分应耐植物根系穿透。
（2）防腐层选型。环氧煤沥青防腐层防腐材料和结构需符合：
1）《埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层技术标准》（SY/T 0447—96）。
2）《埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层技术标准》（SY/T 0447—1996）。
3）《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268—2008）。
4）球墨铸铁管做防腐施工前，采用喷砂除锈至球墨铸铁管露出金属光泽，应达到（GB/T 8923.1—2011）中SA2 1/2级质量标准。
5）管体防腐要求为特级，一底四油二布，玻璃布为10cm×12cm或10cm×10cm中碱无腊玻璃布，干膜厚度不小于0.6mm。
2.球墨铸铁管内防腐
直埋段球墨铸铁管内防腐可采用水泥砂浆（8±2mm），做到表面光滑，不脱落，不漏刷，无起泡
7.4.2.2 钢管防腐设计
钢管道在土壤的作用下会产生腐蚀，不采取适当的保护措施会迅速氧化，将会导致快速腐蚀暴管。钢管道防腐分为管内防腐和管外防腐。
1.钢管内防腐
钢管的内防腐材料要求施工方便、简易，附着力强，受弯不剥落。目前市场上用于内防腐的材料较多，主要有水泥砂浆衬里和环氧涂料等防腐材料。经综合比较分析，结合本工程实际情况、施工现场条件及工程投资等因素，钢管内防腐采用液体环氧涂料。
2.钢管外防腐
外腐蚀通常采用的保护方法是阴极保护和涂料联合保护。阴极保护是针对金属电化学腐蚀而采用的最为有效的保护方法。涂层作用是将电解质与金属构件隔离开。本工程输配水管线防腐保护方案为以管外涂有环氧煤沥青，外加阴极保护。