山区小流量长距离自重流输水管道管径和管材选择
[摘要]某山区输水管道按自重流供水设计，通过对输水管材综合比选，确定管材采用球墨铸铁管，在选择管径时可充分利用水头差确定最小供水管径，为山区地形小流量长距离自重流输水管道管径和管材选择提供设计借鉴。
[关键词] 小流量；自重流输水；球墨铸铁管；海曾威廉公式
1 工程概况
本工程为西南五省市重点水源规划建设项目，主要以供水为主，供水对象为水库下游沿途村屯及镇政府驻地，水库总库容330万m3，有效库容158万m3。输水管道自新建取水阀房引出后，前段6.2km基本沿河床或沿河岸顶部台、耕地敷设，其后7.3km基本沿二级公路路边敷设，最后接镇水厂约0.51km管线沿二级公路边丘陵地山腰敷设，输水管线总长14.01km。管道设计引水规模为8495m3/d（折合流量为1000L/s）。输水管道沿线共设四个分水口，分别为分水口1（桩号3+878m）、分水口2（5+326m）、分水口3（8+348m）和分水口4（11+788m），分水流量分别为2.52L/s、1.68L/s、3.74L/s及1.25L/s。
本工程水库最低供水水位为466m，最高供水水位为480.99m，输水管道末端镇水厂蓄水池顶部控制高程为308m，则可利用的最大、最小水头差分别为173m和158m。
2输水管材及管径选择
（1）输水管材选择
对输水管管材的选择，主要从性能和经济两方面进行综合比选，评定的内容应包括以下几方面：管材性能安全可靠，能承受要求的内压和外压荷载；管道具有良好的封闭性和防渗性；施工方便，安装便捷；使用年限长，维修工作量少；输水水质有保证；管材来源有保证，管件配套方便等。
目前在供水工程中可使用的输水管材有球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、PE聚乙烯管、钢丝网骨架聚乙烯复合管、夹砂玻璃钢管、钢管等。结合本工程实际情况，预应力钢筒混凝土管虽具有抗腐蚀、寿命长、强度高、抗震性能好、安装简易、可靠、运行维护费用低、不污染水质等优点，一般使用在长距离大管径供水，生产最小管径为0.4m，但用在本工程中会造成富裕水头较大，不经济，故建议不采用。夹砂玻璃钢管作为近年出现的新型管材，具有糙率小，输水能力强；重量轻，安装方便；强度高，耐压性能好；耐腐蚀性能好；可在现场设厂制作，解决其运输难的问题。不足之处是施工过程中管槽回填要严格控制质量，稍有疏忽则会造成管道变形过大，达不到设计要求。本工程前段沿河沟布置，河床基岩裸露，施工安装条件较差，安装时容易造成破损，不宜采用夹砂玻璃钢管。普通PE聚乙烯管最大承受内压一般为2MPa，本工程局部段工作压力达到2.5MPa，超过其承压范围，要满足本工程供水需求，可采用承受内压更高的钢丝网骨架聚乙烯复合管。因此，本工程主要用球墨铸铁管、钢丝网骨架聚乙烯复合管以及钢管这三种管材进行比较，各种管材的性能见表1。
表1管材性能对比结果表明，钢管可承受极大的内水压力，运行安全性、可靠性高，维修方便，但耐腐蚀性差，使用寿命短，维修费用较高；球墨铸铁管和钢丝网骨架聚乙烯复合管使用寿命较长，防渗性、耐腐蚀性及接头密封性等性能相对较好，故本工程从管材的性能方面考虑，拟选用球墨铸铁管、钢丝网骨架聚乙烯复合管以及钢管三种管材进行比较，三种管材的单价比较见表2。
本工程输水管道设计引水流量为1000L/s，采用上述三种不同材料不同管径规格的材料输水能力基本相当。在相同输水能力下，每米球墨铸铁管（DN300 mm）的综合单价为390元，和钢管基本相当，比钢丝网骨架聚乙烯复合管低160元。本工程输水管道总长14.01km，采用钢丝网骨架聚乙烯复合管比采用球墨铸铁管增加投资约224万元，而采用钢管节省投资有限，同时考虑钢管耐腐蚀性能较差，维修费用较高，因此推荐本工程输水管材主要采用球墨铸铁管，只有在局部露天架空管道中采用钢管。
（2）输水管径选择
本工程按自重流供水，可充分利用已有水头差选取最小的供水管径。根据供水流量（1000L/s）、最小水头差（158m）、输水管线的长度（14.01km）、输水线路布置以及本次线路受控制的高点――分水口4处（地面高程367m）满足过流要求等先决条件，同时结合输水管管径规格尺寸，选定输水管从取水阀房至分水口4段长11.79km的管径为DN0.3m，通过分水口4控制高点以后，结合后段的富余水头对管径进行适当缩小，输水管线至镇企业队段长1.71km的管径为DN0.25m，最后镇企业队至镇水厂段长0.51km的管径为DN0.2m，管材均为球墨铸铁管。对选定输水管径进行水力计算，计算可依据《村镇供水工程设计规范》（SL687-2014）中有关管道的沿程水头损失和局部水头损失计算公式。
管道局部水头损失按沿程水头损失的5%～10%计算，本工程输水管管径较小，沿线弯头较多，故取上限10%，经计算，输水管道局部水头损失为13.7m，因此，输水管道总水头损失为151m。本工程要求管道进入蓄水池后预留约5m富余水头，本次计算富余水头为158-151=7m，完全满足全线自重流供水要求。
3结语
对于山区小流量长距离自重流输水管道供水，在选择输水管材时，由于管径较小，选用球墨铸铁管与选用钢管等其他管材相比价格相差不大，而且球墨铸铁管能够承受较高的内水压力，比如K9级球墨铸铁管（当管径小于DN0.4m时）可承受4MPa左右的内水压力，因此，在高水头时优先选择球墨铸铁管；选择管径时，由于是自重流供水，可充分利用水头差选取最小的供水管径。在进行水力计算时，一般选取《村镇供水工程设计规范》（SL687-2014）中所列的海曾威廉公式计算沿程水头损失。