城鄉(xiāng)飲水安全工程管材選擇及評(píng)價(jià)

佧瑪力·買買提

(伽師縣水利局，新疆 伽師 844300)

0 引言

長(zhǎng)距離大口徑輸水管道工程選用不同的管型、管材對(duì)工程的投資有較大的影響[1]，應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)和當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件在確保安全運(yùn)維的前提下合理選取管材。由于幾種常用的管材都有各自優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程特點(diǎn)按照相應(yīng)權(quán)重確定管材比選控制性因素具有科學(xué)性。以新疆伽師縣玉代克力克鄉(xiāng)管道延伸工程管材比選為例，深入分析闡述城鄉(xiāng)供水工程中管材選擇方法。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)方案

伽師縣城鄉(xiāng)飲水安全工程建設(shè)任務(wù)是通過(guò)建設(shè)安全、可靠的輸水管道工程，來(lái)滿足伽師縣玉代克力克鄉(xiāng)現(xiàn)狀年1.72萬(wàn)人，設(shè)計(jì)水平年2.05萬(wàn)人的居民用水水源問(wèn)題，工程的布置如下：

(1)取水工程從已建的蓋孜河?xùn)|岸輸水干渠取水，新建引水閘；閘后接沉砂調(diào)節(jié)池進(jìn)水渠2.47 km；調(diào)節(jié)沉砂池后通過(guò)2根DN1600的引水管(總長(zhǎng)0.46 km)進(jìn)入總水廠。

(2)輸水工程布置為一條輸水干管，起點(diǎn)為總水廠，終點(diǎn)為伽師縣供排水公司，總長(zhǎng)111.888 km，管徑DN1200～600。

(3)供配水工程布置

包括15條支管，總長(zhǎng)167 km，為連接輸水干管與各鄉(xiāng)鎮(zhèn)分水廠之間的管道，管徑DN600～250；改擴(kuò)建17座分水廠；改擴(kuò)建內(nèi)部配水管網(wǎng)約1548 km，管徑DN400～50；入戶16874戶。

1.2 管道沿線場(chǎng)地環(huán)境條件

(1)環(huán)境水的腐蝕性評(píng)價(jià)

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，管線沿線地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)均具中～強(qiáng)腐蝕性、對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中～強(qiáng)腐蝕性、對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性。

(2)場(chǎng)地土的腐蝕性評(píng)價(jià)

根據(jù)管道沿線的室內(nèi)土壤鹽分化驗(yàn)成果，管線沿線地基土對(duì)混凝土具有弱～中等腐蝕性；對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具中～強(qiáng)腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性。

(3)沿線地質(zhì)情況

工程位于平原灌區(qū)，地層巖性以低液限粉土、低液限粘土和粉細(xì)砂，地下水位較高，在管溝開挖深度內(nèi)可見。

2 管材選擇

對(duì)大口徑輸水管道，通常選擇鋼管、球墨鑄鐵管、PCCP管。當(dāng)?shù)刭|(zhì)地形條件良好，使用壓力不高，經(jīng)水錘分析計(jì)算確有可靠的安全保障時(shí)，大口徑輸水管道也可選用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、玻璃鋼管等非金屬管材。

考慮本工程具有長(zhǎng)距離、高水頭特點(diǎn)，因?yàn)殡x心澆鑄夾砂玻璃鋼管在新疆的應(yīng)用情況較少，只將連續(xù)纏繞夾砂玻璃鋼管和定長(zhǎng)纏繞純玻璃鋼管納入比選范圍。同時(shí)，本工程線路埋設(shè)在細(xì)土平原區(qū)，沿線地下水和土都具有較強(qiáng)的腐蝕性，PCCP管的外防腐主要依賴一層較薄的水泥砂漿，不適用于此類地層，故本工程不將PCCP管納入比選范圍。

2.1 水力學(xué)條件分析

以海澄威廉系數(shù)作為依據(jù)，分析各管材過(guò)水能力。玻璃鋼管、PE管內(nèi)壁最光滑，為140～150；涂料內(nèi)襯的鋼管，如3PE鋼管和涂塑鋼管，系數(shù)為130～140。球墨鑄鐵管內(nèi)壁為水泥砂漿，系數(shù)為120～130。因此在同等管徑的情況下，玻璃鋼管、PE管和鋼絲網(wǎng)骨架PE管的過(guò)流能力最強(qiáng)，涂料內(nèi)襯鋼管的過(guò)流能力較強(qiáng)，水泥砂漿內(nèi)襯的球墨鑄鐵管稍低。見表1。

表1 各種管道水頭損失參數(shù)表和過(guò)流能力評(píng)價(jià)對(duì)比表

2.2 抗壓能力分析

本工程中的最大靜水壓力為140 m，最大使用壓力接近1.6 MPa，管道設(shè)計(jì)壓力等級(jí)最大管段為2.1 MPa，只有鋼管和球墨鑄鐵管能較好地滿足；對(duì)于承受外壓能力方面，球墨鑄鐵管最大，鋼管次之，玻璃鋼管和PE管相對(duì)最弱，但由于本工程設(shè)計(jì)管頂土厚為1.2 m，最大土厚一般不超過(guò)3 m，因此上述4種管材均能滿足要求，見表2。

表2 各種管道抗壓性能評(píng)價(jià)對(duì)比表

2.3 地基適應(yīng)性及回填要求

四種管材的標(biāo)準(zhǔn)直管最大容許轉(zhuǎn)角均為1°，對(duì)管基的要求相對(duì)較高，主管區(qū)回填材料的最大粒徑鋼管及球墨鑄鐵管為40 mm以下，玻璃鋼管和PE管為20 mm以下。本工程位于平原灌區(qū)，主要巖性為低液限粉土層，對(duì)上述4種管材的回填土粒徑而言，均滿足要求。

2.4 抗腐蝕性能

從場(chǎng)地環(huán)境條件來(lái)看，存在化學(xué)腐蝕。鋼管及球墨鑄鐵管均受地下水及場(chǎng)地土的腐蝕性影響，均需采取一定的防腐措施，其中對(duì)于鋼管，管道內(nèi)外均需考慮防腐，內(nèi)壁采用常溫型環(huán)氧涂料或熱固性環(huán)氧樹脂、外壁采用涂塑或3PE防腐層，其中3PE外防腐層的結(jié)構(gòu)是熱固性環(huán)氧樹脂(防腐)+PE外保護(hù)層(防磕碰)，涂塑外防腐層的結(jié)構(gòu)為PE。球墨鑄鐵管管道內(nèi)壁采用水泥砂漿內(nèi)襯防腐，外壁采用噴鋅+環(huán)氧煤瀝青防腐層+聚乙烯套防腐。上述兩種管材通過(guò)采用防腐措施，嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行，均能較好的解決抗腐蝕性問(wèn)題，但相應(yīng)的會(huì)增加管道造價(jià)。PE管和玻璃鋼管在抗腐蝕性方面性能突出，管材本身所用材質(zhì)已具備耐腐蝕能力，因此不需要額外增加防腐措施。各管材防腐工藝、抗腐蝕性和適用地段見表3。

表3 各管材防腐工藝、抗腐蝕性和適用地段對(duì)比表

2.5 施工條件

球墨鑄鐵管吊裝重量最大，裝卸和搬運(yùn)相對(duì)困難，采用承插接頭，單節(jié)管長(zhǎng)5 m，接頭數(shù)量相對(duì)較多；鋼管吊裝重量較大，采用焊接接頭，單節(jié)管長(zhǎng)12 m，接頭數(shù)量少，接頭為現(xiàn)場(chǎng)焊接，施工速度相對(duì)最慢，涌水地點(diǎn)施工困難；PE管重量較輕，采用承插接頭，單節(jié)管長(zhǎng)12 m，接頭數(shù)量少，熱熔連接施工速度快；玻璃鋼管吊裝重量最輕，采用承插接頭；纖維纏繞管單節(jié)管長(zhǎng)12 m，接頭數(shù)量少，施工速度快。施工難易程度對(duì)比見表4。

表4 各管材施工難易程度對(duì)比表

2.6 維修養(yǎng)護(hù)條件

長(zhǎng)距離輸水管線在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生爆管、漏水事故時(shí)鋼管可切割焊接，可加工各類異型管件，維修最為便利；球墨鑄鐵管的切割性和可焊性較差，一般只能整體更換，維修不便；玻璃鋼管可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)纏繞玻璃纖維修補(bǔ)，但可靠性不如焊接；PE管可熱熔或現(xiàn)場(chǎng)箍哈夫節(jié)，維修較便利。

2.7 管材選擇

玻璃鋼管的使用條件，適用于1.6 MPa以內(nèi)，沿線地層巖性為粉土、粘土或砂土的地段。球墨鑄鐵管的使用條件，在管徑大于DN400時(shí)適用于1.6 MPa以內(nèi)的地段，在管徑小于DN400時(shí)適用于3.0 MPa以內(nèi)的管段。鋼管適用于本工程所有地段。PE管和鋼絲網(wǎng)骨架PE管，適用于2.0 MPa以內(nèi)的地段。

金屬管材安全性能最高，因此在價(jià)格相差不大的情況下，建議優(yōu)先考慮金屬管材。從管道系統(tǒng)的壓力條件來(lái)看，本工程管道靜水壓力較大，設(shè)計(jì)壓力為2.1 MPa，因此仍推薦承壓能力較好的鋼管。鋼管的防腐采用涂塑鋼管，內(nèi)防腐為熱固性環(huán)氧樹脂，外防腐為加強(qiáng)級(jí)涂塑層。

3 結(jié)語(yǔ)

本工程屬于長(zhǎng)距離的中大口徑輸水管道工程，工程量大，工期緊，綜合考慮，在區(qū)域環(huán)境約束下將管材抗腐蝕性能納入首要限制性因素。即在滿足安全的前提下納入可比管材，其次參與比選的管材主要區(qū)別在于水力運(yùn)行條件、施工和維護(hù)的便易性，因此，本次比選側(cè)重安全性、經(jīng)濟(jì)性和施工、維護(hù)便易程度等方面。