禹門口提水東擴工程輸水管道設計

張 杰

1 工程概況

禹門口提水東擴工程位于山西省中南部，是向新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城六縣市工農(nóng)業(yè)及農(nóng)村生活供水的保障性給水工程。年農(nóng)業(yè)供水量（包括汾河生態(tài)用水）8095萬m3，工業(yè)供水量8030萬m3，總計 1.61 億 m3。

工程干線起點位于新絳縣禹門口提水工程二級干渠光馬渡槽末端，終點位于距翼城縣城6.0km的西梁水庫。其間分別設置了向襄汾原井灌區(qū)供水支線、新絳供水提水支線、侯馬和曲沃分水口、汾河生態(tài)補水輸水支線、侯馬北莊灌區(qū)分水口、澮河灌區(qū)供水支線等。另外，在禹門口提水工程二級干渠樁號Q44+324處設置了向稷山汾南灌區(qū)供水支線。工程沿線共布置調(diào)蓄水庫2座，提水泵站4座，主管線全長48.8km，支管線長20.0km，輸水干渠總長11.1km，支渠總長34.3km。工程分兩期實施。

2 輸水管道設計

2.1 管道材料選擇

從目前國內(nèi)管材生產(chǎn)的技術來看，鋼管、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃纖維增強塑料夾砂管（RPMP）、預應力混凝土管（PCP）均可滿足以上幾方面的要求，而PCP雖然其單位長度的造價明顯低于上述其他管材，但由于在接頭密封處理、抗沉陷變形、使用壽命等方面的不足，使得該管材的運行維護成本、二次投入成本均高于其他管材。結(jié)合國內(nèi)長距離輸水工程管材選用和工程的實際情況，重點對鋼管、PCCP和RPMP進行綜合比較，以確定推薦管材。

2.1.1 鋼管

鋼管的優(yōu)點是管材強度較高，耐工作壓力高，鋪設方便，適應性強，接口形式靈活，管道滲漏較少，單位管長重量較輕，適用于地形復雜地段和穿越各種障礙。缺點是價格相對較高，并需對管道做防腐處理。

2.1.2 預應力鋼筒混凝土管

預應力鋼筒混凝土管（PCCP）是由鋼板、鋼絲和混凝土構(gòu)成的復合管材，是在鋼筒內(nèi)壁成型混凝土層后在混凝土管芯外表面纏繞環(huán)向預應力鋼絲，并輥射水泥砂漿保護層制作而成。其設計方法先進、安全，能承受高的內(nèi)壓和外部荷載，接頭密封性好，對地基適應能力強、抗震性能好，有較高的通水能力，耐腐蝕性能好，可通過焊接部分接頭抵抗推力，管道運行經(jīng)濟安全，造價低，壽命長，社會綜合效益好。同時具有耗鋼少、價格相對較低、使用壽命長等特點，目前國內(nèi)已廣泛應用于長距離、大流量的城市供水工程中。

2.1.3 玻璃鋼管

玻璃纖維增強樹脂纏繞成型夾砂管（RPMP）是近年來國內(nèi)的一種新型管材。優(yōu)點是材料強度高，密閉性好，重量輕，管道內(nèi)壁光滑，相應水頭損失小，具有良好的防腐性，管道維修方便快捷，特別是管道重量輕，需要的大型設備少、費用低。缺點是管道為柔性管，抗外壓能力相對較差，對回填土施工技術要求較高，目前已建成并經(jīng)過長時間運行考驗的工程實例還較少。

由上述可知，PCCP、鋼管、RPMP均能滿足供水要求，根據(jù)工程的具體情況，輸水管線由于受管道內(nèi)壓波動和水錘的影響，對管道本身的耐久性、抗外壓性能等都有較高的要求。所以該輸水工程主管道三泉水庫至西梁水庫段設計選用PCCP，管道糙率按設計手冊并結(jié)合其他工程經(jīng)驗取0.0125；三級泵站澮河出水池至澮河水庫段為重力流段，線路起伏較大，管道直徑相對較小，設計選用RPMP，管道糙率取0.0095；新絳支線、汾河生態(tài)補水支線設計選用鋼管，管道糙率取0.012。

2.2 管道水力計算

根據(jù)實際地形和管道走向布置管道及其附屬建筑物，并根據(jù)計算確定管徑及壓力等級。管道縱坡設計盡量與地面坡度一致，以減少溝槽的開挖和回填量。

2.2.1 管徑計算

管道的管徑按下式初步選擇：

式中：D——設計管道內(nèi)徑，m；

Q——設計引水流量，m3/s；

v——管道經(jīng)濟流速，m/s。

2.2.2 水頭損失

沿程水頭損失計算采用如下公式：

式中：hf——管道沿程水頭損失，m；

v——管道斷面平均流速，m/s；

C——謝才系數(shù)；

R——水力半徑，m。

經(jīng)計算，各段管道的水頭損失見表1。

2.2.3 主管線管徑與揚程比選

禹門口提水東擴工程采用梯級泵站提水、揚程較大、輸水管道較長，管材、管徑的確定將直接影響工程投資和運行管理費用。設計通過鋼管、PCP，PCCP，RPMP管道技術、經(jīng)濟比較，選定PCCP為主要輸水管材；通過輸水管徑、泵站揚程、運行費用的技術經(jīng)濟比選，確定經(jīng)濟、合理的管道直徑。

表1 管道內(nèi)徑及水頭損失

該工程為工業(yè)、農(nóng)村生活飲水和農(nóng)業(yè)灌溉供水，并采用一條管道輸水，若考慮供水時間分布不均，減少管道直徑降低工程投資，加大泵站揚程增加運行費用，但工業(yè)、農(nóng)業(yè)供水各占50%的供水量，初步計算，采用加大泵站揚程減小管道直徑方案將會增加運行管理費用（見表2）。更為重要的是，若管徑選擇較小，管道沿程損失較大，水泵揚程較大，管道選定揚程和實際地形揚程偏差很大，在單一工業(yè)供水和工農(nóng)業(yè)供水流量變化較大，或在工業(yè)供水規(guī)模未達到設計要求的前幾年，水泵不可能在有效區(qū)內(nèi)運行，嚴重影響水泵的使用壽命。

表2 主線各級泵站管徑、揚程改變后工程費用和運行費用比較

2.3 管道埋設及防腐

2.3.1 普通段管道埋設

輸水管道大部分隨地勢鋪設，總干管路穿過的地層多為濕陷性黃土區(qū)和砂卵石土層，溝槽開挖邊坡為1:0.5～1:1。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，管道沿線除穿汾河段不存在濕陷性外，其余地段均為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土，地基自重濕陷量的計算值為0～768.0mm，濕陷量的計算值為0～908.0mm，屬（非）自重Ⅱ級（中等）～自重Ⅳ級（很嚴重）濕陷性場地，揭露濕陷土層深度約15.0m，管道基礎處理參照省內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)PCCP管道輸水工程經(jīng)驗，分自重濕陷性和非自重濕陷性兩種類型進行，分別采用1.0m厚和0.5m厚的2:8灰土進行換基處理，壓實度不小于0.95；遇濕陷性黃土地基時，管線管道基底以上均鋪設0.15m厚的砂礫石墊層；遇非濕陷性黃土地基時，管線管道基底以上均鋪設0.3m厚的砂礫石墊層。管道埋設完成后，回填至原地面，但管頂以上覆土厚度應不小于1.5m，可將開挖的砂卵石、土和土石作為回填料直接回填。

管道回填分為5個區(qū)，管道墊層為砂礫料，最大粒徑20mm；管道基角120°以下（包括砂礫石墊層）為回填Ⅰ區(qū)，回填料為砂礫料，最大粒徑不超過50mm，回填相對密度不小于0.75；管頂以下500mm為回填Ⅱ區(qū)，回填料為開挖土，壓實度不小于0.95；管頂500mm以上至地面以下300mm為回填Ⅲ區(qū)，回填料為開挖土，壓實度不小于0.90；最上部分為回填Ⅳ區(qū)，回填料采用耕植土回填至地面以上300mm，整平不壓實；回填時管道兩側(cè)應均勻上升，每層回填厚度應不大于300mm。

2.3.2 管道的防腐

地質(zhì)資料表明，該項目所在地區(qū)地下水為松散巖類孔隙水，主要接受大氣降水及邊山地下水側(cè)向補給。汾河水水化學類型為SO4-HCO3-Ca-Mg-Na型水。按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，判定為硫酸鹽型中等腐蝕性。澮河支線輸水管線段環(huán)境水對混凝土無腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性；另外，輸水管道沿線局部地區(qū)（樁號20+425.9～21+450.2段）土壤對鋼筋存在弱腐蝕性?？紤]到禹門口提水東擴工程為工業(yè)和農(nóng)村生活供水的重要性，參考國內(nèi)類似大口徑、長距離輸水管道工程的經(jīng)驗，同時考慮供水地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境變化的影響，設計對PCCP采用管道外表面涂環(huán)氧煤瀝青防腐涂料進行管道的防腐蝕保護，厚度400μm。鋼管內(nèi)防腐采用水泥砂漿，厚度10mm，鋼管外防腐采用三油兩布。

3 管道抗浮穩(wěn)定計算

根據(jù)地質(zhì)資料可知，在主管線樁號16+034.6～20+425.9之間，管線通過汾河漫灘及汾河Ⅰ級階地，地下水位埋深較淺，僅0～5.7m，設計對該段管道進行抗浮穩(wěn)定計算。

此段管道管徑為2.0m。選取單位長度管道進行抗浮穩(wěn)定計算，地下水位埋深按0考慮，允許抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1。經(jīng)計算，管道頂部覆土厚度大于1.60m時才能滿足管道抗浮穩(wěn)定要求。安裝回填過程應注意管道漂浮。

4 結(jié)語

禹門口東擴工程為山西省大型引調(diào)水工程，規(guī)模大、線路長、內(nèi)容多，針對輸水線路的特點，管道設計在整個工程設計中起至關重要的作用，合理選擇管材和管徑可以縮短施工工期、方便運行管理和減少工程投資。