湛江市鑒江供水工程海底輸水管道施工設計

張 華

（廣東水電二局股份有限公司,廣東 廣州 511300）

供水樞紐工程是指為了解決城市或地區(qū)的供水需求而建設的一系列水利設施和工程,其通常由水源工程、水質處理工程、供水工程和分水工程等組成。其中,供水工程是指將處理好的水從水源地輸送到城市或地區(qū)的設施,供水工程主要包括輸水管道、泵站和調壓設備等,在輸水過程中,需要考慮水壓、水流量和輸送距離等因素,以確保供水的穩(wěn)定和高效[1]。供水工程對一個城市或地區(qū)的發(fā)展和居民的生活質量有著重要影響,通過供水工程,可以為工業(yè)、商業(yè)和農業(yè)等各個領域提供充足的水資源,從而促進經(jīng)濟的發(fā)展和增長；還能夠為居民提供安全可靠的飲用水,保障居民有足夠的優(yōu)質飲用水,從而提升居民的生活質量。在供水工程中,輸水管道設計尤為關鍵,輸水管道的建設可以提高供水工程的可靠性和穩(wěn)定性。

1 海底輸水管道施工方案研究

1.1 工程概況

湛江市鑒江供水樞紐工程由鑒江泵站提水加壓,以雙沉管方式直線穿過南三出?？?穿越南三島后采用盾構方式穿過湛江灣出?？谥翓|海島的蕃昌村前,將鑒江水輸入湛江鋼鐵基地的安全水池及紅星水庫,輸水工程的輸水管道總長約44 km。本標段管線埋設中心線沿線有蝦塘、小丘陵、河道、洼地等,并需跨越南三島線路長,因此對外交通很不方便。特別是南三島沒有與陸路相連接的橋梁,所有建筑材料等施工物資都需由渡船運輸,非常困難。

1.2 供水工程海底輸水管設計

為實現(xiàn)供水工程海底輸水管道施工,本文對輸水管的選擇、布置、埋設位置以及管徑進行設計。

（1）管材選擇：目前國內生產輸水管類型較多,本文詳細對比不同管材優(yōu)缺點,從中選取最佳輸水管材料。對比分析結果見表1。

表1 不同排水管性能分析

基于表1 中的分析,可以看出PCCP 管的應用效果更好,且這一管線的使用年限較長,對比其他管材,PCCP 管缺點較少,為此,本文在設計輸水管線時,采用雙管形式,主管材為預應力鋼筒混凝土管（PCCP）,局部為鋼管或鋼管外包砼。

（2）管線布置：為保證供水工程中的管線布局合理,在布置供水管時應盡量沿著山梁布置,盡可能保障線路最短；同時優(yōu)先采用重力輸水,充分考慮供水工程的后期規(guī)劃,在布置管線時結合當?shù)氐匦螚l件,降低布線開銷[2]。

（3）管道埋設：采用溝埋式安裝法（局部采用鋼管架空安裝）,開挖邊坡為1∶2～1∶2.5,沿線為小丘陵等較平緩地勢。地基多為粉細砂、細砂、中粗砂等天然基礎,承載力較高,沿線尚未發(fā)現(xiàn)特大特殊工程地質問題。

（4）管徑設計：在設計管徑時應充分考慮水頭損失、流速以及流量等因素,并采用公式（1）計算管徑：

式中：D 為輸水管直徑；Q 為輸水管設計流量；v 為管道內流速。

1.3 輸水管道防腐設計

當完成供水工程海底輸水管設計后,需要設計有效的防腐方案,才能夠提高輸水管道質量,從而延長管道使用壽命。防腐設計分為兩種,一種為內防腐設計,另一種為外防腐設計。

（1）輸水管道外壁防腐設計：通常情況下,供水工程海底區(qū)域環(huán)境會對輸水管產生較大腐蝕性,因此需采用有效的防腐手段,對供水管道外壁進行防腐處理[3]。先對鋼管外壁表面進行噴砂除銹,之后采用底漆、面漆以及玻璃布材料組成管道外壁防腐層,其中面漆厚度大于0.6 mm,通過防腐層,保證鋼管外壁的防腐性能。

（2）輸水管道內防腐設計：采用水泥砂漿襯里方式實現(xiàn)輸水管道內防腐,這一技術具有較強的適用性。通過砂漿襯貼在管道內壁上,構成8 mm～18 mm 的附著層,從而隔離鋼管與輸送介質,這一防腐方式可以降低工程開銷,還能夠避免水體污染,避免管道受到輸送介質的影響,因此可以有效實現(xiàn)管道內壁防腐。

（3）電化學防腐設計：由于供水工程海底區(qū)域的供水管存在電化學腐蝕,因此考慮電化學腐蝕特性,本文采用犧牲陽極保護方案,通過鋁—鋅—銦合金犧牲陽極涂層,對每一供水管進行保護。結合法拉第定律,在應用犧牲陽極保護方式時,輸水管的使用年限可通過式（2）計算：

式中：W 為輸水管犧牲陽極的重量；T 為保護年限；陽極發(fā)生時的電流為I；η表示陽極電流效率；F 為陽極理論發(fā)電量。

1.4 輸水管空氣閥與控制閥設計

在輸水管的合理位置上布置空氣閥與控制閥,可以有效增強管線運行的安全性,為此,本文在輸水管上配備空氣閥與控制閥。

（1）空氣閥設計：本文采用復合式空氣閥作為施工材料,由于供水工程輸水主管線約29.3 km、分管線約14.6 km,因此無法在中間配備排氣閥,僅能夠在兩端登陸點進行裝置,同時,由于海域段管道集氣,可能會因襲管道漂浮問題,所以在管道敷設過程中,需保證排水管內空氣排凈,之后在兩端登陸點裝置雙復合式排氣閥,具體規(guī)格為DN150,通過這一排氣閥,起到同時排氣作用。

（2）控制閥設計：為保證供水工程為沿途配水點均衡供水,需在加壓泵站的進水口裝置一個控制閥,從而控制出水口壓力。先將控制閥前端管道水頭抬高,避免管線高點出現(xiàn)半管流狀態(tài),以免破壞管道,之后采用DN800 活塞式控制閥,將其布置在加壓泵站的進水管道上,保證管道沿途供水點壓力得到控制,從而提升供水管安全性。

1.5 調節(jié)池設計

調節(jié)池可以儲存一定量的供水,作為供水工程的儲備水源。同時,調節(jié)池還可以通過控制進出水口的閥門開度,調節(jié)供水工程中的水壓,因此,通過調節(jié)池可以有效保持輸水管網(wǎng)的穩(wěn)定運行還能夠減少水錘現(xiàn)象。為此,本文為輸水管網(wǎng)工程設置調節(jié)池,從而調節(jié)管道系統(tǒng)中水流量和壓力。將調節(jié)池節(jié)點設置在沿管線最高峰段末端,在布置過程中,需保證調節(jié)池的通氣管具有足夠的補氣能力,還需要保證調節(jié)池蓄水容積量夠大。同時,為保證調節(jié)池為無壓水池,需在調節(jié)池上布置φ250 的通氣管,通氣管進氣口可設置在隱蔽位置。

1.6 輸水管施工方式設計

在設計輸水管施工方案之前,需提前布置管道周圍鎮(zhèn)墩與擋樁等設施：

（1）鎮(zhèn)墩設計：為增強輸水管穩(wěn)定性,并提高其抗浮性能,在管道每間隔10 m 位置放置一沙袋鎮(zhèn)墩,設計鎮(zhèn)墩長為2 m。

（2）擋樁設計：在輸水管兩側接近登陸段區(qū)域布置擋樁,采用鋼制擋樁間距在50 m 左右,共布置三排,通過擋樁增強管道穩(wěn)固性。

當完成輸水管道周圍固定設施設計后,即可開始管道挖溝施工,本文采用后挖法進行施工處理：先通過敷管船將管道布置在海床上,之后通過沖吸式水力挖溝機,采用高壓沖水方式,將管道周圍砂土沖至溝槽兩側,使管道固定于溝槽中,可根據(jù)沖刷深度合理調整埋深。具體輸水管施工方案見圖1。

通過圖1 步驟實現(xiàn)輸水管施工,當施工完成后,需對管道進行整理與防護。

（1）輸水管檢查：當輸水管沉入海底后,需要對管線安全性進行查驗,通過潛水人員檢查輸水管線路,若管線周圍存在礫石,則需要立即清理,若無法移動礫石,則需采用混泥土墊平。

（2）管道壓力檢查：當施工完成后,在排水管首端裝置壓力表,并關閉出水閥,分析在24 h 內壓力是否存在變化,從而驗證管道是否存在漏水問題。

2 實驗分析

為分析本文設計輸水管施工方案的有效性,對該施工方案進行仿真分析,通過仿真軟件模擬施工步驟,分析施工結束后該方案的應用效果。

分析泵站不同機組開機后的水頭損失等指標變化情況,分析結果見表2。

表2 開機后水頭損失與流量變化分析

根據(jù)表2 可知,當開機機組數(shù)量增加后,輸水管總流量也得到了提升,同時水泵效率也逐漸加大,在本文設計的施工方案下,輸水管總流量處于較高水平,可以高效率完成排水任務,同時,該施工方案所產生的水頭損失較低,當4 臺機組開機時,水頭損失僅為8.211 m,因此本文設計的施工方案可以有效降低供水工程的經(jīng)濟損失。

模擬地震荷載對輸水管的影響,設地震加速度為0.1g,地震周期為0.5 s,分析在地震作用下輸水管的橫向與軸向應力,從而驗證該施工方案在地震環(huán)境下產生的變化,分析結果見圖2。

圖2 地震荷載對輸水管的影響

根據(jù)圖2 可知,在地震變形動力作用下,輸水管道的軸向與橫向應力均呈現(xiàn)波動狀態(tài),但橫向、豎向應力并不高,說明地震作用對管道產生的附加作用力相對較小,其中,橫向應力明顯處于極小水平,由此可以看出,在地震作用下,本文設計的輸水管道不會受到嚴重影響,因此具有較強的穩(wěn)定性,當受到外圍環(huán)境影響時,依然可以保持良好的安全效果。

3 結論

針對湛江市鑒江供水樞紐工程,設計供水工程海底輸水管道施工方案,通過輸水管道設計,提高管道的耐腐蝕性,并優(yōu)化管道質量；同時針對這一輸水管施工結果進行仿真實驗分析,模擬驗證輸水管在供水時的應用效果,獲取該施工方案的應用價值。未來可以現(xiàn)有研究成果為基礎,繼續(xù)對輸水管建設方案進行優(yōu)化,提高設計能力,從而設計出經(jīng)濟效益更高的供水工程輸水管施工方案。