复杂地形地质条件下自流式输水管道设计施工技术问题

　　摘要：在基岩山区复杂地形地质条件下，怎样能使自流输水管道设计施工科学经济合理，做到投资少效果好，这是工程技术人员在设计施工中应解决的问题。只要抓住自流输水管道的水气流原理，采取适当的工程措施，使水压传递连续，问题就容易解决。
　　关键词：复杂地形，水气对流，水压连续，工程措施。
　　在地形复杂地区，水利工程建设难度很大，特别是引水管道工程建设更是如此，在人饮解困和饮水安全工程建设中，如何将远处水源引到村上供安装自来水之用，即在地形地质条件复杂下，自流式输水管道怎样施工，如何使此类工程费用低，减少工程量和施工难度，我们做了大量的工作，认真地分析研究复杂地形地质特点和自流式输水管道的水气流机理，在工程设计和施工中根据机理采用适当的工程技术措施，实现了工程量最小投资最少。
　　一、基岩山区地形地质特点和管道自流输水的两种形式
　　基岩山区地形条件复杂，沟壑纵横、基岩裸露、地形陡峭、松散堆积物分布不均，输水管道管线和地形走势、基岩出露、松散物堆积不可能一致，因此在管线和地形地质之间，寻找投资少工程量小的最佳组合，是山区输水管道必须研究解决的问题。我们知道自流输水是靠地形高差由水自重通过管道从高处向低处运动，从而使水由高处输到低处。有两种形式一种是输水管道从高向低单向倾斜式；另一种是管道两头高中间低倒虹吸式。根椐地形地质和自流输水的特点，通过几年来工作实践，我们研究总结出，什么样的地形地质条件采用什么样的输水形式科学经济合理，对于地形较缓、山凹拐弯不深（绕远距离短）、松散堆积物分布较均匀地方采用单向倾斜式；对于地形较陡、基岩出露松散堆积物分部不均、或山凹大绕弯距离长、或需要越过山谷采用倒虹吸式。这样做：一能达到开挖以土方为主、石方为辅，减少土石方开挖难度；二是能使管道尽量最短，管材尽量用塑料管，材料费最少。
　　二、自流输水管道从输水开始到输水正常时的水气流原理
　　自流输水管道从开始送水到输水正常，这个过程是管道中的气体逐渐被排出，水逐渐占据整个管道的过程，如果管道中的气体能被及时排出，使水压传递连续水流通畅，这说明管线设计合理，施工完美。单斜式自流式输水管道在水开始流进管道时，在管道的上段水先占据管道的下方，然后逐渐向上压缩空气，空气受压就会向上方压力小的地方流动最终流出管外。管道进水口位于高处，管内的部分气体又必须从此处逸出，这样水流和气流方向相反。故自流输水管道从输水开始到输水正常时的水气流原理是水气对流。对于倒虹吸式管道，开始输水时，水流要迅速到达虹吸管底部，然后随着管内水面上升，管内的气体从管的两端排出，不难看出从虹吸管的底部到虹吸管进水口这段管道的水气流亦为水气对流。我们知道了水气对流是自流输水管道从输水开始到输水正常这一阶段水气动态，就有办法采取技术措施使输水管道输水顺畅。
　　三、复杂地形地质条件下自流输水管道设计施工技术措施
　　1、单向倾斜式自流式输水管道设计施工技术措施
　　适合单向倾斜式自流输水管道地形地质条件，是从地形上看水源和利用水点存在上下游关系，水源高，用水点低，管道不需绕行（或绕行长度不大），管道从上到下单向倾斜铺设管道最短。但基岩起伏和松散堆积物地方，和理想设计管道线路不一致，对于此类地形地质条件下，我们应根据测量结果和地形地质条件采取以下措施。第一，用管道的承压性和自流式输水管道开始送水到水流正常时的水气对流原理把管道坡度非均匀化，呈上陡下缓状态，且越接近进水口坡度越大，使之整体水力坡度和理想设计水力坡度一致。此法适用于管道较短且地形地质简单的情况。第二，如果管道较长必须把整条管道按照地形地质条件分成数段（可以长度不等），以使适合复杂的地形地质条件，每段的水力坡度呈上陡下缓状态，且每段的整体水力坡度和设计水力坡度相同，在每段的上下端设置通气孔，使水气通畅，水流畅通。为什么要上陡下缓呢？因为在开始送水时，上部管道较陡，水才能从管道的上部较快地流向低处，被压缩的空气才能从管的上部很快的逸出，保证水气对流通畅，水压传递连续。否则水气对流不畅，水压传递不连续，有效水力坡度不能形成，设计水流量不能达到。以上做法得了以下效果，一是在有限的高差内取得了最大的水力坡度，管道直径选择能取最小值，而且管长最短，管材费用最少。二是土石方开挖量最小，几乎没有石方开挖，省工省时，劳务投入最少。达到了工程建设科学合理，投资最少效益最大的目的。
　　2、倒虹吸式自流输水管道设计施工技术措施
　　在复杂地形地质的地区，虹管设计施工要依据管道的水气流原理和现场的地形地质条件，如地形起伏和基岩起伏情况来研究解决。在基岩山区常出现这样的情况，即地形的起伏和似建虹管的起伏不一致。基岩起伏和堆积物形成的地形起伏和虹管工程要求起伏统一起来就更难。地形的起伏有时在某段和虹管要求的起伏相反。对于这样的虹管设计施工必须坚持三原则，第一，工程施工工程量要少，投资费用低（管道细而短、土方开挖量易而少）；第二保证设计水流通畅，水力坡度最大；第三要搞好管道防冻和保护，这三点缺一不可。忽视任何一点，虹管建设就是不成功的，不适宜的。根据这几点要求和虹管开始送水时水气对流原理，采用如下措施，使虹管设计院施工经济合理，工程量少，工程费用低。一是虹管出水口标高以上的管道坡度最小，为虹管设计水力坡度的4倍以上，且愈向虹管进水口处倾斜程度愈大，保证水气通畅，水压传递连续；二是其它部分将以虹管底部为中心向两边逐渐抬高，管道随地形起伏或陡或缓，但管道坡度不能出现逆转。以此为原则结合冬季最大冻深，测量推算出各点管道基槽的挖掘深度。
　　四、工程实例
　　1、A引水工程
　　某工程在某地2003年打井1眼，出水量80米3/时，在村上修水池1座，蓄水量1000米3，作为水塔供村民安装自来水，为把井水引回村庄，供村民饮水。经勘察测量，根据出水量现配套水泵（80米3/时，扬程150米）和地形条件测量结果以最小的水位差和最短的管长，工程投资少，运行成本低为原则，以600米6时塑料管，6米水位差，过水量80米3/时，采用自流引水管，单斜式引水方式，根据地形条件（梯田和基岩露情况）把整条管道分为三段，（每段的长度不等，水力坡度相同，管道从来水到出水坡度由陡变缓）。在管道由平缓变陡处设置通气孔，使水气流畅。施工完毕后试水一次成功。实现了工程投资少，运行成本低，深受群众的欢迎。
　　2、B引水工程
　　在某地区上游2.5公里的地方有深井1眼，为把井水引回村内，供村民饮用，我们到该村进行实地勘测，现场勘测发现，该地地形复杂，沟壑纵横，怎样利用现有抽水设施把抽出的井水，不用加压自流到村上，供村民使用，我们做了认真的研究，如果采用单斜式，管道绕行距离太远，管线太长、太粗，工程造价太高不行。把水引到村下，还需一套扬水设备把水提到村上，运行费用高，也不行。因此决定采用倒虹吸管形式，尽量使管线短，管道细，降低工程投资和工程量，根据地形特点把引管分为两条虹吸管，上游虹吸管工程地形简单，虹管好铺设。第二段处地形复杂，山坡堆积黄土，沟坎多，且堆积物形成的地形倾向和虹管倾向不一致。我们按照复杂地形地质条件下的虹管施工设计技术措施，把虹管按出水口高程分为两段，出水口以上段管的倾斜度大于虹管设计整体坡度的二倍以上；其余部分按虹管底部向两边抬高，只要不出现忽高忽低的原则，进行设计施工，工程施工完毕后，水流通畅。通水量20米3/时，4时塑料管，设计管道整体坡度为百分之一。
　　综上所述，在复杂地形地质条件下，自流式输水管道的设计施工，必须遵循上述“水气对流”和“水压传递连续”这些关键的技术问题的处理方法，就能使此类工程建设技术经济合理，工程造价最低，投资最少。
　　参考文献：
　　[1]农村水利司．管道输水工程技术．北京：水利水电出版社.2002.
　　[2]依学农．管道工程优化设计．北京：水利水电出版社.2006.