玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管在某供水工程引水隧洞中的運(yùn)用

烏曉明

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管在某供水工程引水隧洞中的運(yùn)用

烏曉明

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（簡稱FRPM管）是近年來國內(nèi)逐漸推廣使用的一種新型復(fù)合材料管道。由于其具有比強(qiáng)度高、抗?jié)B防腐性好、使用壽命長、流通能力強(qiáng)、密度小、質(zhì)量輕、安裝便捷以及綜合造價低等獨(dú)特的性能和優(yōu)點(diǎn)，被選擇應(yīng)用于某供水工程引水隧洞中并取得了良好的效果。實(shí)踐證明，相比常規(guī)管道，F(xiàn)RPM管道在其適合的環(huán)境條件下使用，具有明顯的性能優(yōu)勢和極佳的經(jīng)濟(jì)效益，適合在輸水、供水工程中推廣應(yīng)用，具有廣闊的市場前景。

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管 引水隧洞 運(yùn)用

1 工程概況

某水庫位于重慶市境內(nèi)，為中型水庫。壩址控制流域面積173 km2，多年平均徑流總量9 335萬m3。大壩壩型為漿砌石重力壩，最大壩高55 m，壩頂長172 m。正常蓄水位354 m，總庫容4 166萬m3。水庫配套渠系工程由5個隧洞、2座渡槽和倒虹管組成，總干渠16.12 km。城市供水支渠2.46 km，主要承擔(dān)向某縣城30萬人的供水任務(wù)。

2 供水支渠引水隧洞出現(xiàn)的問題

水庫向縣城供水的供水支渠全長2 460 m，其中引水隧洞長1 342.5 m，為斷面圓形壓力隧洞，最大工作壓力1.3 MPa。隧洞設(shè)計(jì)開挖斷面直徑2.8 m，采用鋼筋混凝土襯砌后直徑2.0 m。隧洞設(shè)計(jì)采用雙層C20鋼筋混凝土襯砌，混凝土厚度為40 cm，超挖部分采用同級混凝土進(jìn)行回填。隧洞于2006年9月1日開始洞挖施工，2009年6月完成混凝土襯砌和固結(jié)灌漿。

按照向縣城供水的工期目標(biāo)，2010年7月27日上午開始對隧洞進(jìn)行充水試壓試驗(yàn)，壓力隧洞承受靜壓力為1.06 MPa。當(dāng)天下午15時左右，在對倒虹管水位進(jìn)行觀察時，發(fā)現(xiàn)倒虹管內(nèi)水位急劇下降，鋼管內(nèi)無存水，通過對倒虹管—壓力隧洞出口沿線進(jìn)行實(shí)地檢查，發(fā)現(xiàn)壓力隧洞出口右側(cè)出現(xiàn)較大滲流。隧洞放空后檢查，發(fā)現(xiàn)在壓力隧洞K0+523—K1+342.5洞段出現(xiàn)了67條裂縫。裂縫位于邊拱中部位置，基本對稱分布，為連續(xù)性、貫穿性裂縫，裂縫最大連續(xù)長度達(dá)34.5 m，最大寬度為6 mm。從現(xiàn)場裂縫呈現(xiàn)狀況和設(shè)計(jì)復(fù)核結(jié)果，基本可判斷為結(jié)構(gòu)破壞性裂縫。

3 工程處理方案比選

鑒于隧洞最大內(nèi)水壓力達(dá)1.3 MPa，現(xiàn)有襯砌結(jié)構(gòu)遭破壞，而原設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)薄弱，現(xiàn)場施工地質(zhì)編錄資料欠缺，因此，采用裂縫修補(bǔ)和結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)方案既不經(jīng)濟(jì)，也不可靠，施工工期不能滿足供水需要。較為可行的方案是在隧洞中重新敷設(shè)1條供水管道，即 “洞中管”方案。

經(jīng)計(jì)算，如采用鋼管或球墨鑄鐵管，管徑需1.2 m。已成隧洞內(nèi)徑2.0 m，施工場地異常狹小，且只有一個工作面施工，鋼管或球墨鑄鐵管的洞內(nèi)運(yùn)輸、就位、安裝和焊接的難度較大；隧洞內(nèi)滲水潮濕，管道運(yùn)行期的維護(hù)和防腐處理困難。如采用聚乙烯（PE）塑料管道，管道糙率系數(shù)較小，管徑1.0 m可滿足過流要求，管道質(zhì)量相對較輕，洞內(nèi)運(yùn)輸、就位相對較容易，但大口徑PE塑料管價格昂貴，其造價遠(yuǎn)高出鋼管或球墨鑄鐵管。另外，PE塑料管須現(xiàn)場熱融連接，現(xiàn)場接口熔融焊接需要專用焊接設(shè)備，而現(xiàn)場空間難以滿足設(shè)備布置需要。

在上述方案均難以滿足要求的情況下，對采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（FRPM管）方案進(jìn)行了研究。

FRPM管是1990年以來國內(nèi)逐漸在石油化工、供排水等領(lǐng)域推廣使用的一種新型柔性非金屬復(fù)合材料壓力管道，其實(shí)質(zhì)是以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，以不飽和熱固性聚酯樹脂為基體，以石英砂及碳酸鈣等無機(jī)非金屬顆粒材料為填料，采用定長纏繞工藝、離心澆注工藝、連續(xù)纏繞工藝方法制成的管道。FRPM管道執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21238—2007《玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管》。相比其他管道，F(xiàn)RPM管道具有以下突出特點(diǎn)：

（1）比強(qiáng)度高、機(jī)械性能好、熱膨脹系數(shù)小。FRPM管道具有優(yōu)良的強(qiáng)度性能，最大容許工作壓力可達(dá)到6.4 MPa，設(shè)計(jì)安全系數(shù)在6倍以上。根據(jù)不同的纖維鋪設(shè)與含量情況，玻璃鋼管環(huán)向抗拉強(qiáng)度為300 MPa，軸向抗拉強(qiáng)度為160 MPa，而比強(qiáng)度達(dá)到200 MPa，大約是普通鋼管的3～4倍，球墨鑄鐵管的10倍。根據(jù)調(diào)研，F(xiàn)RPM管道在國內(nèi)已成功用于一些水利水電工程的引水壓力管道，管徑最大達(dá)2.6 m，水頭最高345 m。由于FRPM熱膨脹系數(shù)小，在使用中不需要增加溫度補(bǔ)償裝置。

（2）質(zhì)小、密度輕、單根管道長度長，安裝方便。FRPM管道質(zhì)量大約占同規(guī)格、同長度鋼管的 1/2.5，球墨鑄鐵管的1/4，易于裝卸，適合洞內(nèi)運(yùn)輸和安裝。FRPM管道接頭采用2道 “O”形密封圈承插式安裝，安裝方便、可靠，密封性、耐腐性好，接頭可在小角度的范圍內(nèi)任意調(diào)正管線的方向。管道的長度一般為10～12 m，單根管道長，接口數(shù)量少，可加快安裝速度，減少故障概率，提高整條管線的安裝質(zhì)量。

（3）水力學(xué)性能優(yōu)異、通流性能好。FRPM管具有光滑的內(nèi)表面，磨阻系數(shù)?。?.008 4），管內(nèi)不易被微生物玷污附著及結(jié)垢，壓力損失小，水力流體特性好，且管徑越大其優(yōu)勢越明顯。在管道輸送流量相同的情況下，工程上可以采用內(nèi)徑較小FRPM管代替鋼管，從而降低工程投資。經(jīng)計(jì)算，管徑1.0 m的FRPM管過流量與管徑1.2 m的鋼管（新）或球墨鑄鐵管（新）相當(dāng)。而使用一定年限后，鋼管或球墨鑄鐵管將不可避免被腐蝕或銹蝕，通流性能將隨之降低，而FRPM管不存在此問題。

（4）抗?jié)B防腐性能好、使用壽命長、安全可靠。高分子化合物不飽和聚酯樹脂填充于玻璃纖維網(wǎng)絡(luò)空間并與玻璃纖維良好的浸潤，固化后不但起到傳遞荷載和防滲漏的作用，防止酸、堿、鹽侵蝕，保護(hù)輸送的介質(zhì)無二次污染。FRPM管的基體是極其穩(wěn)定的高分子材料，且其破壞壓力是按工作壓力的6倍設(shè)計(jì)的，可以確保50年使用壽命（AWWA，ASTM標(biāo)準(zhǔn)）。美國、英國、瑞典、日本等國家在1980年開始大規(guī)模使用FRPM管，運(yùn)行實(shí)踐已證明其長壽命和安全性能。鋼管使用壽命一般為15～30年，運(yùn)行期間需定期維護(hù)并做防腐處理。

（5）綜合造價低、長期經(jīng)濟(jì)效益好。通過市場價格調(diào)研，并結(jié)合各種管道的現(xiàn)場施工方案，測算出本工程采用FRPM管、PE管、鋼管和球墨鑄鐵管的綜合造價分別2 028、3 765、2 957、3 486元/m，F(xiàn)RPM管方案具有明顯的價格優(yōu)勢?？紤]到管道長期使用的維護(hù)費(fèi)用等其它的運(yùn)行費(fèi)用，以及使用年限和輸送能力等因素，F(xiàn)RPM的綜合效益明顯優(yōu)于其它管材。

綜上所述，F(xiàn)RPM管相比PE管、鋼管、球墨鑄鐵管具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。本工程FRPM管在隧洞中敷設(shè)，避免了露天明敷布置被人為破壞的隱患和管道防老化問題，因此，在本搶險工程中，采用FRPM管 “洞中管”方案是可行、合理、可靠的。

最終確定采用在已成隧洞內(nèi)安裝DN1 000 mm FRPM管，壓力等級1.6 MPa，剛度10 000 N/m2。FRPM管要求嚴(yán)格執(zhí)行GB/T 21238—2007《玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管》標(biāo)準(zhǔn)，同時應(yīng)符合GB5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。

4 FRPM管道施工

玻璃鋼管道兩端采用法蘭與倒虹管和鋼管連接，從樁號0+000法蘭連接后，采取單向洞內(nèi)運(yùn)輸管道安裝和混凝土支墩澆注，玻璃鋼管道采用雙 “O”形密封圈連接，管道長度每根10 m，沿隧洞底拱中軸安裝，每節(jié)管道管身中部設(shè)置混凝土支墩，管道連接口處設(shè)置帶雙鋼件抱箍的混凝土支墩。FRPM管管道安裝順序?yàn)椋?（1）用吊車（裝載機(jī)）把管道調(diào)運(yùn)至隧洞下游入口，通過安裝在隧洞口的行吊放置在隧洞底的移動小車上并用人工運(yùn)至隧洞內(nèi)安裝點(diǎn)；（2）玻璃鋼壓力管道沿混凝土隧洞DN2 000 mm中軸線通過緊固連接裝置連接安裝；（3）玻璃鋼壓力管道安裝后進(jìn)行鋼固定抱箍、混凝土支墩澆注施工。管道的支墩混凝土澆筑與管道安裝和驗(yàn)收同步交叉進(jìn)行。

僅26 d時間就全部完成1 342.5 m管道的安裝工作，并一次試水（壓）成功。施工質(zhì)量和施工工期完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 FRPM管道運(yùn)用效果評價

本供水工程承擔(dān)著向某縣城供水任務(wù)，原計(jì)劃應(yīng)于2011年春節(jié)前向縣城供水。在引水隧洞試壓被破壞，已經(jīng)很難修復(fù)的情況下，采用 “洞中管”已成為唯一選擇。在通過調(diào)研和深入研究，采用了FRPM管道，確保了供水要求，同時大幅降低了搶險工程投資，減少了后期運(yùn)行維護(hù)工作量和費(fèi)用。

本工程引水隧洞全長1 342.5 m，原采用混凝土襯砌施工共歷時21個月，工程投資630多萬元；而FRPM管道從開工安裝，到一次試水 （壓）成功，僅用了40 d，搶險工程投資僅259萬元。兩者相比，F(xiàn)RPM管道優(yōu)勢明顯。

目前，F(xiàn)RPM管道已運(yùn)行3年多時間，尚未進(jìn)行過任何維護(hù)。經(jīng)現(xiàn)場檢查，F(xiàn)RPM管道運(yùn)行良好，無任何滲水現(xiàn)象。

繼本工程后，針對其他工程，對采用FRPM管道埋設(shè)方案、FRPM管道 “洞中管”方案 （取消壓力隧洞永久混凝土襯砌）進(jìn)行了專題對比研究，在深入技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較的基礎(chǔ)上，采用了FRPM管道方案。實(shí)踐證明，相比常規(guī)管道，F(xiàn)RPM管道在合適的環(huán)境條件下使用，具有明顯的性能優(yōu)勢，同時可以大幅縮短施工工期，具有極佳的經(jīng)濟(jì)效益。

需指出的是，目前FRPM管道市場欠規(guī)范，生產(chǎn)廠家的設(shè)備、原材料、工藝、技術(shù)水平參差不齊，市場低價競爭現(xiàn)象較嚴(yán)重，造成目前FRPM管道總體質(zhì)量水平與國外相比存在一定差距，在一定程度上影響了一些設(shè)計(jì)單位方案取向和業(yè)主的決策，影響了FRPM管道的推廣使用。在使用FRPM管道方面，有兩方面經(jīng)驗(yàn)：一是在招標(biāo)文件中細(xì)化技術(shù)要求，確定合理的招標(biāo)限價，邀請有實(shí)力的生產(chǎn)廠家投標(biāo)，拒絕代理商采購。二是由設(shè)備生產(chǎn)廠商承擔(dān)管道安裝，實(shí)行管道采購和安裝總承包。

6 結(jié)語

FRPM管道相對于傳統(tǒng)的管道來說，具有獨(dú)特的耐腐蝕性，比強(qiáng)度高，壽命長、質(zhì)量輕，安裝容易，無毒害、防滲漏，不污染水質(zhì)和不結(jié)垢，內(nèi)表面光滑等優(yōu)點(diǎn)，在同管徑下，加大了過水的流量，減少了輸水水頭沿程損失。FRPM管道在本工程的成功應(yīng)用，可為其他同類工程提供參考。

[1]GB/T 21238—2007玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管[S].

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烏曉明 男 高級工程師 重慶市水利投資（集團(tuán)）有限公司 重慶 401121