長(zhǎng)距離尾水導(dǎo)流工程管道設(shè)計(jì)方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

魏 峰

（江蘇省新沂市水利局，江蘇 徐州 221400）

1 工程概況

南水北調(diào)新沂市尾水導(dǎo)流工程，是保障南水北調(diào)水質(zhì)安全的一項(xiàng)重要工程。工程建設(shè)任務(wù)主要是：興建南水北調(diào)新沂市尾水導(dǎo)流工程，使城南污水處理廠尾水通過(guò)尾水通道排入新沂河尾水通道順利入海，避免尾水進(jìn)入駱馬湖、王莊閘以上總沭河、新墨河，并且為新沂河尾水通道工程實(shí)施奠定基礎(chǔ)。南水北調(diào)新沂市尾水導(dǎo)流工程設(shè)計(jì)流量為1.61 m3/s，工程建設(shè)范圍：自新沂市城南污水處理廠新建DN1200 雙排管道沿新墨河、總沭河和總沭河以西農(nóng)田至新沂河，單排管道全長(zhǎng)26618 m。

2 管道設(shè)計(jì)方案比選

2.1 管材比選

本工程主要任務(wù)為采用封閉管道有壓長(zhǎng)距離輸送尾水，設(shè)計(jì)中，考慮了經(jīng)常使用的4 種管材：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管道、玻璃鋼管。

從近幾年國(guó)內(nèi)興建的大型輸水工程來(lái)看，所用管材多為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管道等。一些重大而緊迫的工程傾向于使用鋼管作為輸水管道，但鋼管的防腐處理比較麻煩，長(zhǎng)距離管道的防腐質(zhì)量難以得到保證，這便影響了鋼管的使用壽命。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）具有復(fù)合結(jié)構(gòu)合理、承受內(nèi)外壓較高、接頭密封性好、抗震能力強(qiáng)、施工方便快捷、防腐性能好、維護(hù)方便等特性，受到工程界普遍關(guān)注，并廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離輸水干線、壓力倒虹吸、城市供水、壓力排污干管等工程中。但預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）目前市場(chǎng)價(jià)格比預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管道、玻璃鋼管高很多，與同規(guī)格的玻璃鋼管相比，價(jià)格要高出約1000 元/m。我國(guó)引用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）的水利工程有：山西萬(wàn)家寨引黃工程、深圳東部引水工程、哈爾濱磨盤(pán)山引水工程等大型重大供水工程。

預(yù)應(yīng)力混凝土管按其生產(chǎn)工藝分兩種：一種是一階段管，即一次成型；另一種是三階段管。預(yù)應(yīng)力混凝土管因加工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)最低，但管材生產(chǎn)過(guò)程中存在弊病，如：三階段噴漿質(zhì)量不穩(wěn)定，易脫落和起鼓；一階段管在施加予應(yīng)力時(shí)不易控制，造成質(zhì)量不穩(wěn)定、不均一，使管材存在空鼓、環(huán)裂、應(yīng)力難以控制和承口圓度差等工藝缺陷。這些缺陷將會(huì)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)爆管、滲漏等常見(jiàn)病。另外，由于重量大、運(yùn)輸安裝不方便，使得預(yù)應(yīng)力混凝土管應(yīng)用受到了限制，但該管道為最經(jīng)濟(jì)的管材，應(yīng)根據(jù)輸水重要性適當(dāng)選用。

玻璃鋼管材的比重約為鋼的1/4，但比鋼、鑄鐵和塑料的強(qiáng)度高，且物理力學(xué)性能優(yōu)異，其膨脹系數(shù)與鋼大體相當(dāng)，而熱傳導(dǎo)系數(shù)只有鋼的0.5%，是一種很好的熱和電的絕緣體。玻璃鋼管耐化學(xué)腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，適合輸送各種酸、堿、鹽及有機(jī)溶劑等不同介質(zhì)。其水力特性?xún)?yōu)異，即意味著流體壓頭損失小，可以選用較小的管徑或功率較小的輸送泵，從而減少管線工程初期投資、節(jié)省電能、降低運(yùn)行成本。玻璃鋼內(nèi)表面光滑，一般表面粗糙率可取0.009，幾乎可以認(rèn)為是“水力光滑管”，在運(yùn)行中，鋼管、鑄鐵管、水泥管等的內(nèi)表面經(jīng)常會(huì)因發(fā)生局部腐蝕變得越來(lái)越粗糙，而玻璃鋼管卻能始終保持著新生管的表面光滑狀態(tài)。玻璃鋼管的安裝、維護(hù)費(fèi)用低，一般來(lái)說(shuō)，玻璃鋼管不需要防腐處理；保溫層可以減薄，甚至可不另做保溫處理；管道比較輕，要求吊裝設(shè)備噸位小，功率消耗??；玻璃鋼管長(zhǎng)度比水泥管及鑄鐵管長(zhǎng)，接頭相對(duì)減少。這些都會(huì)有效降低安裝和維護(hù)費(fèi)用，加快施工進(jìn)度，且也已被國(guó)內(nèi)外許多工程實(shí)踐所證明。

玻璃鋼管設(shè)計(jì)靈活性大，改型周期短。玻璃鋼是用浸有樹(shù)脂基的纖維增強(qiáng)材料，按照特定工藝條件逐層纏繞到芯模上并進(jìn)行適當(dāng)固化而制成的，其管壁是一種層狀結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)改變樹(shù)脂系統(tǒng)或采用不同的增強(qiáng)材料來(lái)調(diào)整玻璃鋼管的各項(xiàng)物理和化學(xué)性能，以適應(yīng)不同介質(zhì)和工作條件，從而制成不同壓力等級(jí)或具有某種特殊性能的玻璃鋼管。改型周期短，是纖維纏繞復(fù)合材料的顯著特點(diǎn)，各向同性的金屬管材無(wú)法與其相比。

從安全角度來(lái)說(shuō)，PCCP 管最好，其次是玻璃鋼管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管道最經(jīng)濟(jì)，其次是玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、鋼管。

綜合考慮諸多因素，管材選用玻璃鋼管道相對(duì)經(jīng)濟(jì)、安全。

2.2 管徑、水力條件

長(zhǎng)距離輸水管道投資在輸水工程占絕大比重，管徑增大，管道一次性投資增大，在保證輸水設(shè)計(jì)流量的情況下，管道流速減小，管道阻力減小，水力損失減小，可降低電耗量與年運(yùn)行費(fèi)用，如果水力損失可以滿(mǎn)足自流的話，那就可節(jié)省大量的后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。相反管徑減小，可降低管道一次性投資，但管路阻力增大，年耗電量及年運(yùn)行費(fèi)增加。因此，如何確定一個(gè)合理的管徑，是長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)中一項(xiàng)十分重要的工作。

新沂城南污水處理廠至新沂河尾水通道工程，全長(zhǎng)26618 m（單根管道）。上游起點(diǎn)水位為26.26 m，下游終點(diǎn)新沂河水位為14.7 m。本次設(shè)計(jì)針對(duì)上下游水頭差及水頭損失等條件，進(jìn)行了自排和抽排方案的比選。

2.2.1 自排方案

沿線管道采用雙排DN1200 玻璃鋼管道，管內(nèi)流速0.716 m/s。水力計(jì)算從壓力管道終點(diǎn)向上推算，依次計(jì)算沿程各段的局部損失水頭及沿程損失水頭，并推算至工程起點(diǎn)。

經(jīng)計(jì)算，管道局部水頭損失為0.60 m，沿程水頭損失為7.18 m，總水頭損失為7.78 m，考慮上下游各0.5 m 的安全水頭，則可將計(jì)算損失放大到8.78 m，而上游設(shè)計(jì)水位為26.26 m，下游尾水通道設(shè)計(jì)水位為14.7 m，水位差為11.56 m，故采用雙排DN1200 玻璃鋼管道能滿(mǎn)足自流輸水的要求。

2.2.2 抽排方案

沿線管道采用單排DN1200 玻璃鋼管道，管內(nèi)流速1.424 m/s。

經(jīng)計(jì)算，采用單根直徑1.2 m 玻璃鋼管道方案的管道局部水頭損失為3.48 m，沿程水頭損失為37.85 m，總水頭損失為41.33 m，上下游水位差為11.56 m，需考慮通過(guò)新建泵站加壓抽排。

2.2.3 工程投資

采用雙排DN1200 玻璃鋼管道，自流方案工程直接投資約為13594萬(wàn)元。

采用單排DN1200 玻璃鋼管道，抽排方案工程直接投資約為12614萬(wàn)元。玻璃鋼管道工程建筑工程投資6328萬(wàn)元，其中，泵站建筑工程投資600萬(wàn)元；考慮泵站電費(fèi)、人員經(jīng)費(fèi)、工程管理經(jīng)費(fèi)（辦公費(fèi)）、機(jī)電設(shè)備維護(hù)費(fèi)、其它運(yùn)行費(fèi)用，泵站工程年運(yùn)行總費(fèi)用為603萬(wàn)元，按泵站工程30年使用年限計(jì)算，折現(xiàn)系數(shù)取0.1，30年折現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用為5686萬(wàn)元。

2.2.4 方案選用

本工程設(shè)計(jì)流量為1.61 m3/s，但目前實(shí)際尾水排放約為8萬(wàn)t/d，流量約為0.81 m3/s。

采用抽排方案雖然投資略省，但沒(méi)有考慮到近、遠(yuǎn)期的排尾水需求，運(yùn)行中對(duì)管道無(wú)法進(jìn)行檢修，而且電價(jià)上漲、人工工資提高等許多不確定因素會(huì)導(dǎo)致后期年運(yùn)行費(fèi)用不斷增加。

采用自排方案，在現(xiàn)有排放流量的情況下，可以使用單排管道排放，管道內(nèi)流速在設(shè)計(jì)流量條件下滿(mǎn)足規(guī)范要求。與單排管道方案相比，雙排管道方案不僅可以兼顧近、遠(yuǎn)期的排尾水需求，而且在一條管道檢修時(shí)，另一條管道仍可排放污水。故從運(yùn)行角度看，該方案更為合理。

3 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)新沂市尾水導(dǎo)流工程，是保障南水北調(diào)水質(zhì)安全的一項(xiàng)重要工程。目前，本工程已基本實(shí)施完成，其輸水距離長(zhǎng)，質(zhì)量要求高。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中，從管材的選擇、管徑、水力條件及管道運(yùn)用方式等方面進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析，針對(duì)本工程特點(diǎn)，選用目前已廣泛采用的玻璃鋼管材作為輸水管道，并考慮近遠(yuǎn)期的排尾水要求，采用了重力流自排方案，既節(jié)省了工程投資，又縮短了施工工期，綜合效益明顯，對(duì)類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)有借鑒作用。