引調(diào)水工程常用管材的比較分析

王 培，來曉蕓

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072；(2.四川省水利電力工程建設(shè)監(jiān)理中心，成都，610072)

我國幅員遼闊，各地降水量差異很大，水資源分配不均勻。在廣大的經(jīng)濟(jì)發(fā)展核心地區(qū)，水資源的短缺長期制約著地方的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，為解決這一突出問題，長距離引調(diào)水工程應(yīng)運(yùn)而生。近年來，倒虹吸管也大量出現(xiàn)在各大引調(diào)水工程中，輸水管材的合理選擇對設(shè)計(jì)、施工、工程投資、安全運(yùn)行的重要性越來越突出。

1 工程概況

四川省蓬溪船山灌區(qū)工程是國務(wù)院確定的全國172項(xiàng)重大水利工程之一，是一項(xiàng)具有灌溉、城鄉(xiāng)工業(yè)生活供水等綜合功能的大型水利工程，工程地處成渝經(jīng)濟(jì)區(qū)的腹心地帶。

工程包括西梓干渠延長段、白鶴林囤蓄水庫工程、蓬船干渠、文吉分干渠、蓬南分干渠、7條支渠分支渠及田間工程，工程為Ⅱ等工程。全灌區(qū)灌溉面積6.31萬hm2。灌區(qū)渠線總長174.9km，其中干渠和分干渠渠線總長104.76km，支渠分支渠渠線總長70.16km。工程于2016年10月通過初步設(shè)計(jì)方案批復(fù)，批復(fù)的中干渠、分干渠上共布置倒虹管6座，管材均采用玻璃鋼夾砂管；支渠分支渠上共布置倒虹管12座，管材材質(zhì)均選用球墨鑄鐵管。

2 原設(shè)計(jì)方案

2.1 建筑物等級(jí)及防洪標(biāo)準(zhǔn)

折弓倒虹管工程位于西梓干渠延長段上，設(shè)計(jì)輸水流量為12.5m3/s，依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50288-2018)的規(guī)定，建筑物級(jí)別為4級(jí)。由于折弓倒虹管結(jié)構(gòu)水頭壓差較大(H≥50m)等因素，列為跨河重點(diǎn)建筑物，建筑物級(jí)別提高為3級(jí)。設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

折弓倒虹管跨長782m，軸線長831m，設(shè)計(jì)流量為12.5m3/s，最大水頭75m。倒虹管結(jié)構(gòu)主要分為進(jìn)口段、管身段、出口段。

進(jìn)口段包括漸變段、前池、閘室段及擋墻，進(jìn)水口設(shè)在擋水胸墻的下部，與管身段連接。進(jìn)口段在閘室段由隔墻分成進(jìn)口節(jié)制閘及泄水沖沙閘，節(jié)制閘與泄水閘平行布置為整體，節(jié)制閘布置為一孔。倒虹管進(jìn)水口位于節(jié)制閘后面擋水胸墻下部，進(jìn)口設(shè)置為方變圓。

管身段采用玻璃鋼夾砂管，單管布置，管徑為2.9m(內(nèi)徑)。管身采用地埋式布置，設(shè)19個(gè)鎮(zhèn)墩。管節(jié)單節(jié)長6m，采用承插式接頭。倒虹管最大水頭約為75m。為便于管道檢修、清淤或放空，在管道高程較低的4號(hào)鎮(zhèn)墩處設(shè)置進(jìn)人孔，進(jìn)人孔兼作放水孔，在管身上凸部位即10號(hào)鎮(zhèn)墩管頂處設(shè)一自動(dòng)排氣閥。

出口段包括節(jié)制閘、消力池以及漸變段，節(jié)制閘與出口擋水胸墻布置在一起，設(shè)置一扇工作閘門。漸變段之后與下游矩形明渠相接。

2.3 管材比選

初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)折弓倒虹管所承受的最大水頭H和管道內(nèi)徑D的乘積HD值(見表1)，擬定管道材料從鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、玻璃鋼夾砂管和鋼管中進(jìn)行選擇。

表1 折弓倒虹管HD值

相對而言，玻璃鋼夾砂管、鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管和PCCP管比較經(jīng)濟(jì)，鋼管的成本相對最高；對于鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管和PCCP管而言，鋼筋混凝土管及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管管壁厚度略大，重量相對較大，接頭止水易損壞。PCCP管作為近年來在大中型輸水渠道中運(yùn)用較多的新材料，抗壓強(qiáng)度高，適用范圍廣，而且價(jià)格相對較低，但已建工程運(yùn)行使用情況反映，PCCP管存在電化學(xué)腐蝕問題；玻璃鋼夾砂管優(yōu)點(diǎn)在于重量輕便于運(yùn)輸、耐高溫、防腐蝕性能強(qiáng)并且水力條件好，糙率小(n=0.008～0.009)。

初步設(shè)計(jì)階段對PCCP管和玻璃鋼夾砂管進(jìn)行詳細(xì)比較選擇。

(1)水力學(xué)條件比較：水頭損失基本一致的情況下， PCCP管、玻璃鋼夾砂管需要的管徑分別為3.4m、2.9m。

(2)設(shè)計(jì)參數(shù)比較：PCCP管由于本身管節(jié)自重較大，一般設(shè)計(jì)單節(jié)長度為6m；玻璃鋼夾砂管單節(jié)長度可以為12m，接頭比PCCP管少一倍，相應(yīng)可減少滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

(3)施工安裝及運(yùn)輸比較：PCCP管自重大，運(yùn)輸、安裝過程中對施工器具要求高，特別是坡度大于30°的斜坡段，管道的定位、固定和安裝施工難度很大；玻璃鋼夾砂管重量輕，施工運(yùn)輸簡單，對施工器具的要求較低，安裝難度小。

(4)經(jīng)濟(jì)參數(shù)比較：經(jīng)過實(shí)地調(diào)研，直管段單米單價(jià)PCCP管5700元/m、玻璃鋼夾砂管5200元/m，轉(zhuǎn)彎段單米單價(jià)PCCP管9600元/m、玻璃鋼夾砂管7500元/m，僅從管材價(jià)格投資上看，玻璃鋼夾砂管投資較低，如計(jì)入鎮(zhèn)墩、運(yùn)輸費(fèi)用、安裝方便，玻璃鋼夾砂管有進(jìn)一步的優(yōu)勢。

通過比較，玻璃鋼夾砂管在管徑選擇、施工運(yùn)輸安裝、工程投資上都較優(yōu)，因此，初步設(shè)計(jì)階段折弓倒虹管管材推薦采用玻璃鋼夾砂管。

3 常用管材比較

在折弓倒虹管正式開始施工之前，為進(jìn)一步了解玻璃鋼夾砂管的生產(chǎn)和應(yīng)用情況，項(xiàng)目業(yè)主組織參建各方到玻璃鋼夾砂管生產(chǎn)廠家、部分已建工程進(jìn)行考察。經(jīng)過考察發(fā)現(xiàn)，玻璃鋼夾砂管主要存在以下特點(diǎn)：

一是具有耐腐蝕性強(qiáng)，質(zhì)量輕，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，多用于城市污水管道和低水頭水利工程輸水；

二是發(fā)生碰撞易損毀、難維修，制作運(yùn)輸安裝過程中易產(chǎn)生暗傷、對施工要求苛刻，受外壓易變形，變形易致接頭漏水；

三是大口徑(≥2.5m)、高水頭(≥50m)在水利工程的應(yīng)用在國內(nèi)實(shí)例較少，生產(chǎn)廠家均缺乏大口徑、高水頭管材生產(chǎn)業(yè)績；

四是在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)管道不均勻沉降、承插口變形等問題。

另外，玻璃鋼夾砂管還存在承受外壓能力弱，不適宜跨河跨路埋設(shè)，地質(zhì)條件要求高、抗不均勻沉降能力弱的特點(diǎn)。

3.1 方案擬定

在折弓倒虹管正式施工前，上下游隧洞已經(jīng)進(jìn)行開挖。因此，本次方案擬定在水頭損失與原方案基本相當(dāng)?shù)脑瓌t下進(jìn)行。

經(jīng)水力學(xué)計(jì)算可知，雙管玻璃鋼夾砂管仍需要2.3m直徑，加之最大水頭為75m，生產(chǎn)廠家無成熟生產(chǎn)和安裝經(jīng)驗(yàn)，故排除選用玻璃鋼夾砂管方案；球墨鑄鐵管達(dá)到直徑2.6m，廠家無成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，故排除球墨鑄鐵管單管直徑3.4m方案；鋼管造價(jià)較高，雙管鋼管方案比雙管PCCP管方案(直徑均為2.4m)貴，故排除鋼管雙管直徑2.4m方案。由此，本次擬定了如下4種方案進(jìn)行同精度詳細(xì)比選：PCCP管單管直徑3.4m方案、PCCP管雙管直徑2.4m方案、球墨鑄鐵管雙管直徑2.4m方案、鋼管單管直徑3.4m方案。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較

3.2.1 水力學(xué)條件比較

按照設(shè)計(jì)流量初步確定管徑、根數(shù)，管內(nèi)流速應(yīng)根據(jù)允許的水頭損失值和管內(nèi)不淤允許流速值選取，管內(nèi)最小流速應(yīng)滿足通過最小流量時(shí)管內(nèi)流速應(yīng)大于壓力管的挾沙流速的原則確定。為保證后續(xù)渠道水面銜接，本次擬定方案水頭損失計(jì)算原則為不超過原計(jì)算水頭損失1.41m，同時(shí)設(shè)計(jì)流速盡量控制在1.5m/s～2.5m/s的經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)。PCCP管糙率采用npccp=0.012，球墨鑄鐵管管道糙率采用n球=0.011，鋼管糙率采用n鋼=0.012。

各方案水力學(xué)計(jì)算成果如表2。

表2 各方案水力學(xué)計(jì)算成果

由上表可知，擬定比選方案滿足水頭損失要求，方案擬定合理。

3.2.2 進(jìn)、出口閘室抗滑及穩(wěn)定應(yīng)力條件比較

擬定的比選方案中，涉及雙管2.4m、單管3.4m，因此不同方案對進(jìn)出口結(jié)構(gòu)有一定的影響，應(yīng)對進(jìn)出口閘室抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力進(jìn)行比較計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表3、表4。

表3 單管3.4m方案抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果

表4 雙管2.4m方案抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果

經(jīng)計(jì)算，各方案抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力均滿足要求，不成為管材比選的制約因素。

3.2.3 主要管材技術(shù)參數(shù)比較

PCCP管、球墨鑄鐵管及鋼管均為《灌溉與排水建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 482-2011)推薦使用的可用于工程輸水的常用管材，三種管材在水利工程上也均有較為成功的應(yīng)用實(shí)例。主要技術(shù)參數(shù)對比如表5。

表5 管材主要技術(shù)參數(shù)比較

經(jīng)比較，各管材方案優(yōu)劣與前述一致。

3.2.4 主要工程量比較

結(jié)合工程布置，各方案主要工程量比較如表6。

表6 各方案主要工程量比較

3.3 施工條件比較

PCCP管相對鋼管、玻璃鋼夾砂管、球墨鑄鐵管單節(jié)管材重量大，運(yùn)輸、安裝過程中對施工器具要求高，特別是坡度大于30°的斜坡段，管道的定位、固定和安裝施工難度很大；鋼管、玻璃鋼夾砂管及球墨鑄鐵管重量輕，施工運(yùn)輸簡單，對施工器具的要求較低，施工措施費(fèi)較省?？紤]到球墨鑄鐵管結(jié)構(gòu)厚實(shí)，施工較為簡單，因此，從施工方案來說，球墨鑄鐵管方案最優(yōu)。

3.4 工程投資比較

結(jié)合各方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工臨時(shí)工程、金屬結(jié)構(gòu)及安裝工程等工程量，各方案工程投資比較如表7。

表7 各方案主要工程投資比較

從上表投資比較可知：PCCP管單管直徑3.4m方案投資相對最少，PCCP管雙管直徑2.4m方案投資居中，球墨鑄鐵管雙管直徑2.4m方案投資相對最多，鋼管單管直徑3.4m方案投資居中。

3.5 比選結(jié)論

綜上所述，各方案在技術(shù)上均可行，方案一投資最少，但管節(jié)最重，重達(dá)36t，管道直徑3.4m，長度5m，為超高超寬件，運(yùn)輸困難，在陡坡段安裝時(shí)由于管道重量較大且管徑較大，吊運(yùn)安裝就位困難，控制軸線高程及角度困難，導(dǎo)致安裝過程中極易出現(xiàn)偏移超允許值的情況；方案三增加投資最多，但施工較方便；方案二與方案四增加投資居中。其中方案四鋼管管節(jié)較輕，陡坡段施工難度較小，而且鋼管強(qiáng)度高，韌性好，可以承受較高內(nèi)壓，永久運(yùn)行安全可靠性較高。同時(shí)方案四較方案一投資增加不多，但是鋼管更加安全可靠。因此，經(jīng)綜合比較后，折弓倒虹管最終采用鋼管單管直徑3.4m方案。

4 意見和建議

在大中型引調(diào)水工程中，管材的選擇對倒虹吸管工程起著舉足輕重的作用，部分甚至影響了工程的整體布置和建設(shè)的可行性。因此在選擇管材的過程中，建議結(jié)合工程實(shí)際，從可靠性、經(jīng)濟(jì)性、適用性等方面全面比較。與一般土木工程不同的是，管材本身的性能、廠家的生產(chǎn)能力，也會(huì)影響管材的選擇。因此，建議在具體管材選用時(shí)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合廠家的生產(chǎn)安裝能力，合理選擇適用的管材。

在低水頭、小管徑的管道中，幾乎不存在制約管材選擇的因素，應(yīng)重點(diǎn)從運(yùn)輸距離、產(chǎn)品價(jià)格上做比選；在高水頭、大管徑的管道中，管道本身的材料力學(xué)性能、使用壽命、水力學(xué)條件、廠家的生產(chǎn)能力、安裝難易程度，將會(huì)是主要制約因素，經(jīng)濟(jì)因素次之。