引漢濟(jì)渭二期工程輸水管道管材比選

楊軍超

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024)

1 概述

引漢濟(jì)渭二期工程承擔(dān)著向調(diào)入?yún)^(qū)重要城市供水、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和改善生態(tài)環(huán)境的重要任務(wù)，由黃池溝配水樞紐、南干線、北干線組成。工程等別為Ⅰ等大(1)型工程，輸水干線主要建筑物及交叉控制建筑物級(jí)別為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，供水保證率要求不低于95%。二期工程壓力管道主要布置在北干線，北干線始端設(shè)計(jì)流量30m3/s，壓力管道長(zhǎng)為53.58km，占北干線總長(zhǎng)的60%以上。其中黃池溝至楊武分水口段壓力管道長(zhǎng)19.61km，楊武分水口至板橋出水池段壓力管道長(zhǎng)19.81km，張閣村至涇河新城段壓力管道長(zhǎng)14.16km。

北干線輸水距離長(zhǎng)、保證率要求高，特別重視工程的安全性，雙管輸水布置，設(shè)計(jì)流量30～13.5m3/s，流量規(guī)模大，管徑范圍3400～2400mm，工壓范圍0.4～1.6MPa，通過黃池溝右岸秦嶺北麓中低山、秦嶺山前洪積平原、河流漫灘、河流階地及渭北黃土臺(tái)塬等地貌單元，沿線地質(zhì)條件多變，地形起伏高差大，管頂覆土厚度2～13m，多次穿越秦嶺斷裂帶、河流、高速鐵路、高速公路等，運(yùn)行工況復(fù)雜，占投資比例高，增加了供水管道選型難度，選擇合理的管材用于施工尤為重要。

2 輸水管道管徑及管壓確定

長(zhǎng)距離大口徑輸水管材選擇充分考慮管徑、管壓、地質(zhì)條件、管材性能及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行技術(shù)、安全、經(jīng)濟(jì)綜合比較[1-2]。

2.1 管徑確定

引漢濟(jì)渭二期北干線工程輸水管道線路長(zhǎng)、流量大，受水區(qū)對(duì)供水的保證率及可靠性要求高，為了保證供水的可靠性，輸水管線需按不少于2條輸水管線布置。建設(shè)3條管道管線，雖管徑稍小，但管線長(zhǎng)度增加較多，沿線附屬建筑物多，運(yùn)行維護(hù)工作量大，尤其是工程占地面積多，協(xié)調(diào)難度更大，移民占地補(bǔ)償費(fèi)用更高，投資增加明顯。因此采用雙管道輸水。

輸水壓力管道為有壓重力流輸水，在保證管道輸水能力的前提下，管徑的選擇要合理且最經(jīng)濟(jì)，以達(dá)到控制投資的目的。根據(jù)相關(guān)規(guī)范選定輸水管道設(shè)計(jì)流速范圍為0.6～3.0m/s，黃池溝至板橋出水池段管徑范圍為2.2～4.9m，滿足各控制點(diǎn)水位要求情況下，沿線的水頭損失不應(yīng)超過16.88m，黃池溝至板橋出水池選取管徑DN3200、DN3400、DN3600mm進(jìn)行試算比選；張閣村至涇河新城段管徑范圍為1.7～3.8m，滿足各控制點(diǎn)水位要求情況下，沿線的水頭損失不應(yīng)超過9.68m，張閣村至涇河新城選取管徑DN2200、DN2400、DN2600mm進(jìn)行試算比選[3]。根據(jù)水頭損失計(jì)算公式，不同管徑的水頭損失計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 不同管徑的水頭損失計(jì)算表

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果可知，黃池溝至板橋出水池段管徑DN3200mm的總水頭損失過大，不滿足控制點(diǎn)水位要求；管徑DN3400mm的總水頭損失為15.80m，滿足要求，且接近最大允許值；管徑DN3600mm的總水頭損失過小，且管徑大投資較多。因此，選定黃池溝至板橋出水池段管徑為DN3400mm。張閣村至涇河新城段管徑DN2200mm的總水頭損失過大，不滿足控制點(diǎn)水位要求；管徑DN2400mm的總水頭損失為9.02m滿足要求，且接近最大允許值；管徑DN2600mm的總水頭損失過小，且管徑大投資較多。因此，張閣村至涇河新城段管徑確定為DN2400mm。

2.2 管壓確定

根據(jù)管道所處位置、管線的水頭損失及管線沿程各類閥的開關(guān)運(yùn)行時(shí)所引起的水錘引起管道壓力增加，依據(jù)GB 50013—2018《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和CECS 193—2005《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》，管道在采取水錘防護(hù)后不應(yīng)出現(xiàn)水柱分離，瞬時(shí)最大壓力不應(yīng)大于正常工作壓力的1.3～1.5倍，工作壓力應(yīng)為最大使用壓力(含水錘壓力)加0.2～0.4MPa安全裕量，管道最大水錘壓力為正常工作壓力的1.35倍，安全裕量取0.3MPa[4-5]。經(jīng)綜合考慮，黃池溝至板橋出水池段管道內(nèi)水壓力分別取0.8、1.0、1.4、1.6MPa；張閣村至涇河新城段管道內(nèi)水壓力分別取0.6、1.4MPa。

3 管材性能及工程應(yīng)用

結(jié)合國內(nèi)管材生產(chǎn)、管道安裝和本工程的實(shí)際情況，長(zhǎng)距離大流量輸水工程使用鋼管(SP)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管(DIP)、玻璃鋼管4種管材較多，但玻璃鋼管質(zhì)地較脆，剛度低、承受外荷載和負(fù)壓能力較差，對(duì)溝槽基礎(chǔ)墊層要求較高，抗浮能力較差，實(shí)際工程應(yīng)用多以DN2000mm以下為主。在已確定輸水管道管徑和設(shè)計(jì)壓力的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)鋼管、PCCP管和DIP管3種管材的性能優(yōu)缺點(diǎn)及工程應(yīng)用情況進(jìn)行分析[1-2,6]。

3.1 鋼管(SP)

鋼管廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，水利工程輸水鋼管通常選用鋼板制作，高強(qiáng)度，韌性好，管件易加工。鋼管的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，承受內(nèi)壓能力強(qiáng)，承受外壓能力稍弱；接口多樣，糙率低，水頭損失較小，重量較輕，安全性能高；防滲性好，不良地質(zhì)適應(yīng)能力強(qiáng)，一般不需做基礎(chǔ)處理，管道配件可按照實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和切割制作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、維修方便[7]。

鋼管的缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較高，接口焊接工作量大，若焊接質(zhì)量達(dá)不到規(guī)范要求易發(fā)生滲漏，抗腐蝕性能差，使用壽命較短，管道內(nèi)、外壁需做防腐處理，設(shè)置陰極保護(hù)措施來提高使用壽命。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)

PCCP管內(nèi)部嵌置鋼筒，纏繞預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，外部噴砂漿保護(hù)層。PCCP管管徑范圍廣，管徑一般為600～4000mm，可承受較高內(nèi)壓及外部荷載，工作內(nèi)壓范圍0.4～2.0MPa，管頂覆土可達(dá)5m以上；采用承插連接，橡膠圈止水密封性高，安裝后逐一打壓；耐腐蝕性能好，安裝接口需作防腐，管道外壁根據(jù)地質(zhì)情況做防腐處理，有時(shí)需設(shè)置陰極保護(hù)措施來確保使用壽命；施工安裝簡(jiǎn)單快捷，安全可靠，工程造價(jià)較低[8]。

PCCP管缺點(diǎn)是重量較重，尤其在高覆土，高工壓時(shí)，為幾種管材中最重，大口徑PCCP管的運(yùn)輸較困難，運(yùn)輸效率低，現(xiàn)場(chǎng)施工也需修筑較高等級(jí)的臨時(shí)便道，采用較高噸位的履帶吊進(jìn)行吊裝，運(yùn)輸和施工限制因素多；生產(chǎn)制造控制指標(biāo)多，流程復(fù)雜，尤其是管芯裂縫問題、大口徑承插口制造、防腐、管道基礎(chǔ)處理等質(zhì)量環(huán)節(jié)多、控制難度大；預(yù)應(yīng)力鋼絲易斷絲，維修困難。

目前PCCP管已廣泛應(yīng)用在水利、電力、市政工程等各個(gè)領(lǐng)域，長(zhǎng)距離、大流量輸水調(diào)水工程中，尤其在超大口徑的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)越性。典型工程應(yīng)用有：南水北調(diào)中線京石段工程應(yīng)用最大管徑DN4000mm，設(shè)計(jì)壓力0.6MPa，長(zhǎng)度約112km[9]；山西萬家寨引黃工程應(yīng)用DN3000mm，設(shè)計(jì)壓力0.6～1.0MPa，長(zhǎng)度36.5km；遼寧大伙房輸水工程應(yīng)用DN2400～3200mm，設(shè)計(jì)壓力0.6～1.0MPa，管道總長(zhǎng)144km[10]；遼西北供水工程采用920kmPCCP管道，管徑DN3200、DN3400、DN3600、DN3800mm，設(shè)計(jì)壓力分別為1.6、1.4、1.2、1.0MPa；廣州西江引水工程中應(yīng)用DN3600mm，設(shè)計(jì)壓力0.6MPa，管道總長(zhǎng)51.6km；吉林省中部城市引松供水工程中應(yīng)用的DN4000mm，設(shè)計(jì)壓力0.8MPa，管道總長(zhǎng)20.975km。

3.3 球墨鑄鐵管(DIP)

球墨鑄鐵管的管徑一般為80～2600mm，工作壓力為0.6～3.0MPa，管徑DN80～DN2200mm已具備批量生產(chǎn)能力，使用非常廣泛。DIP管強(qiáng)度比鋼管大，使用壽命最長(zhǎng)，承受壓力較高，很少出現(xiàn)爆管、漏水現(xiàn)象；采用柔性接口，地基適應(yīng)能力較強(qiáng)，抗震性能高；具有良好的防腐性能，現(xiàn)場(chǎng)不必進(jìn)行額外防腐；運(yùn)輸安裝方便，工期短，費(fèi)用較低[11]。

DIP管的缺點(diǎn)是大口徑管道國內(nèi)生產(chǎn)廠家較少，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)少，管件價(jià)格較高，重量較鋼管重，承受外部荷載性能較預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管稍差。

現(xiàn)階段，DIP管在國內(nèi)主要的的長(zhǎng)距離、大流量引調(diào)水工程已得到廣泛應(yīng)用，典型工程應(yīng)用有：南水北調(diào)北京段應(yīng)用DN2400mm，設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，長(zhǎng)度約34km；新疆大西溝管線引水工程應(yīng)用DN2200mm，設(shè)計(jì)壓力2.3MPa，長(zhǎng)度約17km；太原引黃工程應(yīng)用DN2200mm，設(shè)計(jì)壓力1.0MPa，長(zhǎng)度約30km；云南紅河州河庫連通工程應(yīng)用DN2000mm，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，長(zhǎng)度約17km[12]。

4 管材選用綜合分析

根據(jù)本工程特點(diǎn)，考慮地質(zhì)條件、管材性能及工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，本文從技術(shù)、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)等方面對(duì)相同管徑、相同管壓的鋼管、PCCP管和DIP管3種管材進(jìn)行比選。

4.1 技術(shù)方面比較

鋼管安裝維修方便，管件極易加工，防滲漏性能較好。但對(duì)焊接接口質(zhì)量要求高，焊口應(yīng)進(jìn)行100%無損探傷及防腐補(bǔ)口處理，耐腐蝕性差，管壁內(nèi)外壁需設(shè)置陰極保護(hù)設(shè)施，安裝費(fèi)用高；DIP管防腐性能較好，承插柔性接口，管件廠內(nèi)加工，安裝方便，施工工期短，對(duì)地基適宜性較強(qiáng)，重量較鋼管大；PCCP管防腐性能好，管件定制周期較長(zhǎng)，重量最大，通行道路要求高，現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工較困難，承插柔性接口，管道發(fā)生位移時(shí)，易發(fā)生滲漏。

根據(jù)調(diào)研可知，在實(shí)際工程應(yīng)用中大口徑DN3000mm以上PCCP管應(yīng)用具有明顯的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)壓力一般小于1.6MPa，以1.2MPa以下為主，只有在遼西北供水工程中使用1.4、1.6MPa的PCCP管。因此，設(shè)計(jì)壓力高于1.2MPa，不推薦采用PCCP管材。不同管材技術(shù)性能對(duì)比詳見表2。

表2 不同管材性能對(duì)比表

4.2 安全運(yùn)行方面比較

PCCP管管節(jié)個(gè)別鋼絲斷裂會(huì)引起更多斷絲開裂，一旦開裂將影響管材的預(yù)應(yīng)力效果，可能造成爆管的致命危害。維修需要根據(jù)爆管位置，完成停水調(diào)度和截?cái)啾埽鼡Q整個(gè)管材，費(fèi)時(shí)且難修復(fù)。為保證工程運(yùn)行安全，需增設(shè)PCCP管安全監(jiān)測(cè)設(shè)施；鋼管、DIP管在出現(xiàn)漏水、爆管等突發(fā)事件時(shí)，無需停水關(guān)閥，鋼管直接焊接修復(fù)破壞點(diǎn)，DIP管需用管箍接頭連接，并更換管節(jié)。鋼管管節(jié)數(shù)量多，現(xiàn)場(chǎng)焊接、探傷、焊縫補(bǔ)口防腐等工藝施工周期長(zhǎng)，對(duì)施工人員要求高，安裝質(zhì)量很難控制，對(duì)管道長(zhǎng)久運(yùn)行造成隱患。為增加防腐效果，重要的輸水工程應(yīng)用鋼管時(shí)外加陰極保護(hù)。DIP管抗腐蝕性能優(yōu)良，一般環(huán)境條件不需要加其他防腐措施，運(yùn)行安全性更好。

4.3 經(jīng)濟(jì)方面比較

對(duì)相同規(guī)格管材進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比，管件到場(chǎng)單價(jià)通過詢價(jià)及報(bào)價(jià)確定，安裝費(fèi)、陰極保護(hù)費(fèi)用、運(yùn)行監(jiān)管費(fèi)參考已建工程取值，分析得出管材綜合單價(jià)規(guī)律。管材管徑3400mm：鋼管綜合單價(jià)較高，PCCP管較低；管徑2400mm∶DIP管綜合單價(jià)最高，鋼管次之，PCCP管最低。不同管材綜合單價(jià)對(duì)比詳見表3。

表3 不同管材綜合單價(jià)對(duì)比表

4.4 管材確定

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，管線輸水距離長(zhǎng)、供水保證率要求高，特別重視工程的安全性，充分考慮管徑、管壓、地質(zhì)條件、管材性能及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，從技術(shù)、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)方面綜合比選，黃池溝至板橋出水池段管材管徑3400mm，設(shè)計(jì)壓力范圍為0.8～1.6MPa，壓力等級(jí)1.2MPa以下推薦選用PCCP，既可靠又經(jīng)濟(jì)；壓力等級(jí)1.2MPa以上選用鋼管，雖然較選用PCCP管投資稍微增加，但高內(nèi)壓使用鋼管可靠度更高。穿越秦嶺北塬斷裂帶，地質(zhì)條件差的低壓力管道、黑河、渭河管橋段采用鋼管。

張閣村至涇河新城段管材管徑2400mm，設(shè)計(jì)壓力范圍為0.6～1.4MPa，壓力等級(jí)1.2MPa以下推薦選用PCCP管，既可靠又經(jīng)濟(jì)；壓力等級(jí)1.2MPa以上選用DIP管，穿越?jīng)芎庸軜蚨尾捎娩摴?。壓力等?jí)1.2MPa以上段，技術(shù)上采用鋼管和DIP管都可行，采用鋼管造價(jià)稍低，但鋼管易腐蝕，一旦防腐處理不當(dāng)，將直接影響其使用壽命和輸水能力，采用DIP管工程運(yùn)行安全，可靠性更高，因此選擇DIP管。

二期北干線工程輸水管道管材選型方案科學(xué)合理，采用鋼管長(zhǎng)度為71.76km，PCCP管長(zhǎng)度為14.30km，DIP管長(zhǎng)度為10.55km。鋼管內(nèi)防腐采用溶解環(huán)氧粉末，外防腐采用熱熔聚乙烯；PCCP管在現(xiàn)場(chǎng)不再額外內(nèi)防腐處理，外防腐采用環(huán)氧煤瀝青涂層；DIP管現(xiàn)場(chǎng)不再額外防腐處理。PCCP、鋼管采用陰極保護(hù)措施，同時(shí)合理布置檢修閥、調(diào)流調(diào)壓閥、排氣閥等管道附屬設(shè)施，能保證輸水管線的安全性及供水可靠性。

5 結(jié)語

目前，國內(nèi)大型引調(diào)水工程不斷增多，輸水管道占投資的比重很大，有效開展輸水工程管材的比選研究日益重要。本文通過對(duì)引漢濟(jì)渭二期工程適宜采用的鋼管、PCCP管、DIP管3種管材進(jìn)行分析比選，確定了最優(yōu)的管材選型方案，可有效保證工程按期通水，避免了更換管材帶來投資增加的風(fēng)險(xiǎn)，降低了工程安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。上述管材比選是基于長(zhǎng)距離、大口徑、地質(zhì)條件復(fù)雜、供水保證率要求高的大(1)型輸水管道工程進(jìn)行的，其他輸水工程管材類型選擇還需結(jié)合工程實(shí)際情況，考慮管材選擇涉及的各個(gè)因素，綜合分析確定最適宜的管道管材類型。