【摘要】本文根据作者近年来的设计实践，提出了一些长距离输水管道设计中常见的问题及解决思路。主要有线路选线、管材确定、设计计算等。由于篇幅较长，采用连载形式，本文是第二部分。

【关键词】长距离 输水 管道 设计

3．一般设计计算

3．1 管道的摩阻损失

钢管和铸铁管，根据《室外给水设计规范》（GBJ 13-86 /97版）第5.0.8条之规定，旧钢管和铸铁管水力计算公式宜采用：

i=0.00107V2/D1.3(V≥1.2m/s)

该式实际是曼宁公式的变形，经反算可知相当于粗糙度系数 n=0.013。据测试，新的钢管和铸铁管粗糙度系数可以达到n=0.011～0.012，但由于钢铁件表面容易滋生铁细菌和结垢，管道的摩阻损失增长较快，故针对旧管道，规范推荐 n = 0.013。

目前，如长距离输水管道采用钢管或球墨铸铁管，裸管已很少使用，一般均采用水泥内衬。在这种情况下，最好通过试验来测定管材的摩阻损失。对在工厂加工的离心喷涂水泥内衬管道（如球墨铸铁管），作为初步估算，笔者建议可采用n = 0.012。即：

i=0.0009143 V2/D（4／3）(n = 0.012)

混凝土及钢筋混凝土管、钢筒混凝土管，规范建议直接采用曼宁公式：

i= V2/(C2R) , C = (1/n)·R(1/6)， R = D/4

根据2000版《给水排水设计手册》第一册，混凝土及钢筋混凝土雨水管的粗糙度系数推荐采用 n=0.013。随着加工技术的进步，采用良好工艺控制过程制造的新混凝土管道，经国内测试其摩阻系数可达到n=0.01～0.0115。有关厂家提供的摩阻系数测试值为n=0.0107。由于使用过程中可能结垢，并且大口径管道内衬层的龟裂和掉块，在长期使用中几乎是不可避免的，粗糙度系数必定增加，影响过水能力。在工程设计中应从安全的角度考虑一定富裕，笔者建议可采用n=0.012。代入上式，经变换得下式：

i=0.0009143 V2/D(4/3)（n = 0.012）

玻璃钢管（含玻璃钢夹砂管、其他塑料管），摩阻损失的计算，国内没有相应的规范。根据美国塑料工业协会（SPI）下属的玻璃钢管道协会（FPI）1992年版《玻璃钢管道手册》推荐，可采用海森-韦廉姆斯（Hazen-Williams）公式、曼宁（Manning）公式、达西-韦伯（Darcy-Weisbach）公式等。在较大口径的管道中，这些公式的计算结果是基本一致的。为便于与国内规范对照，可采用曼宁公式。根据上述手册（资料）推荐，设计粗糙度系数可采用 n = 0.009。

由中科院对新的玻璃钢管测试，曼宁公式的粗糙度系数可以达到n = 0.008。国内生产厂推荐的粗糙度系数，一般在n = 0.0089～0.0096之间。为安全起见，笔者建议采用n = 0.0095。带入曼宁公式，得：

i=0.0005731 V2/D(4/3)（n = 0.0095）

综上所述，笔者建议各种管材的摩阻（沿程）损失计算公式采用如下(V≥1.2m/s)：

旧钢管、铸铁管（无内衬）： i=0.00107 V2/D(4/3)（n=0.013）

钢管、铸铁管（水泥内衬）： i=0.0009143 V2/D(4/3)（n=0.012）

各种光滑的混凝土管： i=0.0009143 V2/D(4/3)（n=0.012）

玻璃钢夹砂管（塑料管）： i=0.0005731 V2/D(4/3)（n=0.0095）

管道的局部水头损失，应当逐个管件统计计算，特别当管径较大，流速较高，重力输送时,作为估算，可以采用10％～15％。

3．2 连通管的设置间距

根据《室外给水设计规范》（GBJ 13-86 /97版）第5.0.3条之规定：输水干管和连通管管径及连通管根数，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。城镇的事故水量为设计水量的７０％。应当注意，连通管设置的间距，与阀门组的布置有关。

六阀制的连通管布置。当任一管段损坏，检修时都可以只关闭本管段；当任一阀门损坏，检修时关闭的管段是两段。

五阀制的连通管布置。当任一管段损坏，检修时都可以只关闭本管段；当除连通阀外的任一阀门损坏，检修时关闭的管段是两段；而当连通阀本身损坏，则检修时必须全线关闭。即这种情况下连通管实际是无效的。

确定了阀门系统的接法，就可以根据事故时要关闭的管段数计算确定连通管间距，满足下式：

Ll≤ [ ( I－i2) / ( i1－i2) ] × L ／ N

式中：Ll— 控制点之间的连通管间距（km）

L— 控制点之间的管线长度（km）

I— 正常输水时单管的水头损失（m/km），计算流量为总流量的1／2

i1— 损坏段单管的水头损失（m/km），计算流量为总流量的70％

i2— 未损坏段单管水头损失（m/km），计算流量为总流量的（1／2）×70％

N— 检修时需关闭的最大管段数（段）

如果输水管线由多种管材组成，应当分别计算，或按水头损失最大的一种管材计算。

如果是五阀制或更简化的连通管阀门布置，应全线按单管通过70％总流量进行设计校核。

为方便检修，主管道上两个连通管的中部或地势最低处，至少设一组检修阀门井,以便检修时放空的管线短一点。

管道通过较大的河流时，穿越段两端应设连通管，管道通过铁路和高等级公路时，穿越段两端应设检修阀门井。

3．3 泄水管的设置间距

在工程实践中，泄水井的设置，主要是根据地形起伏情况确定，但必须考虑检修时间的要求。设计检修时间，单管系统应根据系统中的所有储水设施和备用水源联合可供水时间（70％流量）确定；双管系统可根据实际情况确定，一般不超过48小时。放空时间一般不超过检修时间的1／6，可按变水头放空估算最小的泄水管间距：

由：T = 0.7AH0.5/d2 变换为：T = 0.7AH /（H0.5d2）

即：T = 0.7V /（H0.5d2）

由：V = Ls×(πD2/4)

得：Ls≤1.819·T ·H0.5·（ d / D）2

式中：T — 最大放空时间（s）

H — 放空管段的高差（m，最大或加权平均）

d — 泄水管管径（m）

D — 主管道管径（m）

Ls— 最小泄水管间距（m）

3．4管道的埋设深度

根据《室外给水设计规范》（GBJ 13-86/97版）第5.0.17条之规定，管道的埋设深度，应根据冰冻情况、外部荷载、管材强度及与其他管道交叉等因素确定。管道埋设深度是影响工程造价的主要因素之一，特别是长距离输水管道。一般情况下管顶埋深须大于0.7m，北方寒冷地区小口径（DN≤200）的管道应埋在冰冻线以下，大口径的管道可部分埋在冰冻线以上（一般不超过1／3～1／2），长距离大口径的输水管道埋深应通过热力计算确定。

输水管道热力计算的目的，一是在保证管道正常运行的前提下，确定合理的埋深，以节约投资。二是在管道停水不放空的情况下，确定管道内不结冰的最长时间，作为运行和检修的重要控制参数。

一个最基本的概念是，在寒冷的冬天，水库中的水温是随水深增加的，即便是表层的水已经结冰。根据马中汉所译前苏联科学家[安德烈耶雪夫]所著《给水管线和管网的水力计算与热力计算》一书所举例：0.75m厚的冰下0.0m水温是0.25℃，3m是0.85℃，5m是1℃。北方寒冷地区水库取水口水温一般在0.2℃以上。而缓慢流动的活水蓄水库最低水温可降至0.1℃，流动的河流或渠道中，最低水温可降至0.02℃。

输水管道的热力计算，所需原始数据多，公式嵌套层次深，计算十分繁杂。笔者根据《给水排水设计手册》（第三册）和《给水管线和管网的水力计算与热力计算》等资料进行了一些总结，按照计算的步骤程序，列举原始数据和计算公式如下：

计算所需的输入参数：

日平均负气温总数∑（－t）（℃） 最冷月平均气温t（℃）

平均积雪深度hx（m） 土壤类别系数K

土壤导热系数λ（kCal/m.h.℃） 冻结土壤的导热系数λd（kCal/m.h.℃）

管壁导热系数λg（kCal/m.h.℃）土壤中水分开始冻结温度t0(℃)

土壤吸热水分含量n（%） 原水温度ta(℃)

风寒系数a设计流量Q(m3/s)

计算管长L(km)输水管内径d1(m)

输水管外径d2(m)输水管轴线埋深hz(m)

设计计算公式（按计算顺序）：

土壤零度线深度(m)h= 1.2 K [∑(-t)／1000] + 0.7] –2hx

管轴线土壤温度(℃)tx= t［1 -（hz／h）］2

管壁热阻（m／h.℃.KCal） R1= （d2–d1）／（πλg（d2+d1））

努谢尔特参数 Nu = a d2／λg

土壤比热阻(1 / h2℃2)

P=Ln｛(2×hz／d2)+(2／Nu)+SQRT［((2×hz／d2)+(2／Nu))2-1］｝/（2π）

土壤热阻（m／h℃ kCal） R2= P／λ

总热阻（m／h℃kCal）R= R1+R2

温度系数 φ = 0.00028×L／（R×Q）

单位管长平均散热量(kCal／mh) qp= (ta + 2tx)／2R

管路末端水温(℃) tk=（ ta-tx）e-φ+ tx

融土区断面指数 M= 2.73×(ta- t0)×λd／qp

融土区断面直径（m） D= d2×10M

融土区断面面积（m2） f= π（D2-d22）／4

停水到结冻时间（d）T= 12.5×f×n／qp

如果需要，计算末端水温时还可以考虑由于摩阻损失和水泵提升所产生的增温。

设管道中水的质量流量Qs（kg / s），热功当量K = 427（kg·m / kCal），水泵的效率η，则：

水泵内摩擦产生的热量（kCal / s） Qb= ［（1-η）／η］Qs·Hp／K

管路末端由摩阻损失转化的热量（kCal / s） Qm= Qs·∑hf/ K

管路末端总热量（kCal / s） Qz= Qb+ Qm

管路末端水的温升（℃） ts= Qz/ Qs=（∑hf+（（1-η）Hp／η）/ K

考虑温升后管路末端水温(℃) tf= tk+ ts

可根据上述公式编制Excel电子表格进行反复试算，一般是根据经验先假设一个管道埋深，进行热力计算，结果如不满足防冻要求（时间T太短，不满足停水时间要求），加大埋深再次演算，直至满足要求。