本文是水利工程论文，发表在《水电站设计》上，办刊宗旨：贯彻理论和实际相结合的方针，结合工程实践，总结交流经验，促进技术进步，提高大中型水电站的设计、科研和建设水平，推动我国水电事业的不断发展。主要读者对象为从事水电工程规划、勘测、设计、施工、管理、监理、科研、试验研究、水利水电环境及与水电相关学科的工程技术人员、大专院校师生。
随着哈密新型工业化的快速推进和经济社会的快速发展，水资源的需求矛盾日益突出，再生水的利用、长距离的输水都是解决水资源供需矛盾的有效办法。着重从输水管道管材的选择、管材工作压力的确定、钢管壁厚的确定、管道沟槽设计以及管线主要建筑物设计等方面，论述长距离重力输水工程的设计要点，可为类似工程提供一些经验和参考。
关键词：长距离,重力输水,再生水,输水管道设计,水利工程论文
1工程概况
哈密南部工业再生水供水工程位于哈密市以南，哈密天山南坡山前冲洪积平原下部至哈密盆地中部地带，工程起点为哈密市污水处理厂，终点为南湖矿区分水厂，管道全长43 km。建设主要任务是解决大南湖矿区水资源供需矛盾，满足疆电东送各煤电化基地用水需求。供水工程主要解决国网电厂、国电电厂、鲁能电厂、国投电厂和金盛镁业等工业用水，年供水量1 065万m3，工程规模为中型。管道起点高程为716 m，末端高程为558 m，首末端落差158 m，全线采用重力输水方式。
工程区沿线地貌类型由北向南包含有冲、洪积平原下部，剥蚀准平原和剥蚀残山等，主要为冲、洪积砂土、粉土、粉质黏土及黏土。工程区地震动峰值加速度为005 g，对应的地震烈度Ⅵ度。
2水源工程
随着“疆电外送”“疆煤外运”战略的深入实施，哈密地区作为“煤都、风库、光谷、枢纽”和“疆电外送”“疆煤外运”的桥头堡，具有显著的资源优势和区位优势，哈密正处在新型工业化快速推进的关键阶段和经济社会加快发展的重要时期，但哈密属于典型的大陆性干旱和半干旱地区，水资源极度短缺，现已成为哈密地区经济社会可持续发展的瓶颈。为解决水资源短缺问题，本地区水行政部门提出了利用再生水方案，建设哈密市污水处理厂和再生水供水工程。
哈密市污水处理厂水源主要为哈密市区生活和工业污水。现状情况污水年处理量1 200万m3，目前已经完成污水深度处理设施5万t水质标准可以达到国家一级A，完全满足工业用水要求。预测到2020年，哈密市污水处理厂可处理水量1 500万m3。
3管材的选择
在长距离输水工程中，管材的选择一般要根据工程的规模，管道的工作压力，输水距离的长短，工程的进度与重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地质等情况，进行技术、经济、安全等方面论证综合比较后确定。本工程选用了涂塑复合钢管和玻璃钢管两种管材组合形式。
涂塑复合钢管具有使用寿命长，承压能力高，运行安全等级高，运行成本低等优点;缺点是管道价格略高。玻璃钢管具有优良的耐腐蚀性能，管道价格低廉节省工程造价等优点;缺点是主要适用于中低压供水。结合以上管材的优缺点和本工程特点，在污水处理厂至6+000段考虑该段管道为主管道首端，位置处在穿越农业种植耕地，故选择涂塑钢管;6+000至14+830段穿越重工业园区，此段地形落差小，到管道首端仅为86 m，选择玻璃钢管;14+830至43+000段地形呈倒虹吸，地形最低处距管道首端落差195 m，并且在18+900至18+963段穿越哈密市东河坝，所以此段选择涂塑钢管。
4输水管道设计
4.1沿程水头损失计算
依据《室外给排水设计规范》GB 50013-2006输配水管道、管网水力平差计算公式进行计算，公式如下：
hf=10.67[SX(]q1.852L[]C1.852hd4.87j[SX)](1)
式中： L为管长(m);dj为管道内径(m);q为设计流量(m3/s);Ch为海曾-威廉系数，可查《室外给排水设计规范》条文说明。
局部水头损失依据管道的铺设情况，可取到沿程水头损失的5%～10%。结合本工程的具体情况，局部水头损失取到沿程水头损失的10%。
4.2管材工作压力的确定
依据《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》CECS 193-2005压力输水管道的工称压力应根据最大使用压力确定，其值应为最大使用压力加02～04 MPa安全余量，输水管道的最大使用压力应经过水锤计算决定。水锤防护设计应保证管道最大水锤压力不超过13～15倍最大工作压力。故管材工称压力的确定为：管材工作压力=15×设计静水压力+02 MPa。
4.3钢管壁厚的确定
钢管管壁厚度的估算按锅炉公式计算：
σθ=[SX(]P0r[]t0[SX)](2)
式中：t0为钢管(管衬)管壁计算厚度(mm);r为钢管(管衬)内半径(mm);P0为径向均布压力(N/mm2)。
[σ]为钢材允许应力，[σ]=235 N/mm2
бθ=055[σ]=12925 N/mm2(3)
4.4输水管道沟槽设计
输水管沟横断面设计，管道沟槽底部的开挖宽度，按下式计算：
B=D1+2(b1+b2+b3)(4)
式中：B为管道沟槽底部的开挖宽度(mm);D1为管道结构的外缘宽度(mm);b1为管道一侧的工作面宽度(mm);b2为管道一侧的支撑厚度(mm)，可取150～200 mm;b3为现场浇筑混凝土或钢盘混凝土管渠一侧模板的厚度(mm)。
管沟开挖深度大于挖掘机最大挖深时，沟槽分层开挖，开挖断面一侧设置机械操作平台。开挖边坡根据地层岩性确定，岩石段开挖边坡1∶03，砂砾石、碎石土及黏土开挖边坡1∶05。输水管沟纵断面设计，首先满足冻土深要求，尽量顺原地形开挖管沟，在局部凸起处进行坡度调整，使管道平顺。
5管线主要建筑物设计
输水管道上配套主要建筑物形式有：调节池、闸阀井、自动进排气阀井、管道穿越建筑物、镇墩等建筑物型式。
5.1调节池设计
在污水处理厂外管道首端设置调节池，本工程年供水量为1 225万m3，根据《室外给排水设计规范》GB 50013-2006，调节池容积按照最高日设计水量的10%～20%确定，供水天数按300 d计算，日供水量为40 833 m3/d，则调节池容积确定为8 000 m3。新建的两座4 000 m3调节池采用并联方式，调节池之间采用DN 720(t=6 mm)涂塑钢管相连，连接管上设置蝶阀控制。4 000 m3的调节池为方形池，为钢筋砼结构。
5.2闸阀流量计井设计
为控制首端引水流量和各工况企业分水口的分水流量，采用调节闸阀来控制流量的方法，同时设置电磁流量计，以方便控制闸阀开度。为确保流量计的流量传感器在测量时，管道中充满水，不能出现非满管状态，将管道布置为虹吸管，为保证测量的稳定性，应在传感器的前后设置一定长度的直管段。
5.3自动进排气阀井设计
因输水距离长，管道设计时，在坡度小于1‰时，宜每隔05～10 km设置自动进排气阀。一般情况下每隔10 km左右设置自动进排气阀。自动进排气阀的设置位置，根据输水管道的纵向布置确定，本工程在管道系统首部、驼峰处、管道朝水流方向下折超过5°的变坡处均设置自动进排气阀，再经管道水锤防护计算对自动进排气阀的设置位置进行了复核，保证了管道安全运行。进排气阀的口径宜取输水管道直径的1/8～1/5。本工程全线共设置45座自动进排气阀。
5.3检修阀井、放空阀井
根据《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》 CECS 193-2005，在一定长度的输水管道中应设置检修阀门。检修阀门的间距根据管路复杂情况、管材强度、事故预期概率以及事故排水难易等情况确定，每 5～10 km设置一处。结合本工程特点，在管线穿越铁路和哈密市东河坝处均设置了检修阀，全线共设置9座检修阀。
在管道低洼处设置放空阀井，同时还要考虑管道排空是否有泄水通道的问题，全线共设置9座放空阀井。
5.4交叉建筑物设计
管道沿线穿越东河坝1处，桩号为18+897至18+962，长度为65 m，河床水面线宽度为5 m。管底以下15 m深度换填砂砾石料，底宽3 m，边坡1∶125，每30 m设一块混凝土垫块，垫块尺寸600×300×150，管顶以上覆盖砂砾石至原河床高程，输水管道埋深大于当地冻土深。
管道沿线共穿越土路8处，穿越公路4处。管线穿越土路采用管沟开挖后铺设管道方式，穿土路段采取钢套管保护的措施进行处理。供水管线穿越柏油公路，施工方法采用顶管法。
