王圪堵水库输水工程埋地钢管设计

刘进步

（陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安 710001）

1 设计概况

王圪堵水库输水工程位于榆林市榆阳区和横山县境内，地处陕北黄土高原北部，毛乌素沙漠南缘。取水水源为王圪堵水库电站尾水池，输水终点为榆横工业园区水厂。工程为Ⅱ等大（2）型，主要建筑物级别为2级，泵站装机总功率18900kW，设计净扬程 158.65m，总扬程 166.4m，流量4.9m3/s。输水线路总长度28.64km，分为三段：第一段，进水闸至加压泵站，为重力流低压引水管线，长度5.62km，由2条间距4m的DN1600钢筒混凝土管组成，公称压力0.4MPa；第二段，加压泵站到高位水池段，为加压输水管线，管道直径DN1600mm，间距15m，公称压力依次为2.5MPa、2.0MPa、1.6MPa，管材相应为钢管、球磨铸铁管、预应力钢筒混凝土管；第三段，高位水池到水厂，为重力流输水管线，线路长度14.09km，管材除沙界沟桥倒虹、沙河沟埋地倒虹以及穿越铁路等钢管外，其余均为预应力钢筒混凝土管。

压力钢管设计包括：加压输水管线，主管DN1600，管线长约2.7km，设计内压2.5MPa，管顶覆土厚度2.5m，钢管壁厚18mm；沙界沟双管桥式倒虹，管线长约246.05m，管径 DN1400，设计内压 1.6MPa，斜坡段管顶覆土厚度4m，钢管壁厚16mm；沙河沟埋地式倒虹长275.2m，管径DN1400，设计内压1.6MPa，管顶覆土5m，钢管壁厚16mm。材质均为Q345R，厚度偏差等级C类。现场设加工基地进行管道加工和防腐。

2 管道覆土前后变形观测

在分段安装期间，钢管外壁昼夜温差较大，管道在长度方向伸缩量很大。选择5#～6#镇墩间安装好的管段进行温度变形观测，两镇墩间距离约477m，中间预留约5m的闭合间隙。通过连续4天早7点、下午2点观测：环境气温2℃～28℃，管内气温11℃～39℃；4条管道日平均变形为41mm～98mm，单管日最大变形128mm。如果明管闭合管线，需要设置适应温度变形的伸缩节，增加伸缩节采购成本约260万元，直接影响工期2～3个月，造成整个管道在冬季到来以前无法完成闭合和覆土，冬季冻土期间也无法实施管道覆土回填、并进行水密实。先分段覆土再闭合管线无疑是最佳选择。在对观测段管顶覆土2m（管口处约10m未覆土）连续7天观测，管线变形稳定在0～1mm之间，覆土使管壁温度处于和地温相同的恒温状态（2.5m深处的管线年平均地温10.5℃）。经计算，覆土2.5m时，管壁和土壤之间单位长度摩擦力值44.45kN/m，100m长度管道摩擦约束力相当于DN1600，壁厚18mm管道两端完全约束下20℃的温差应力。通过以上验证、分析，在管线覆土达到2m～2.5m厚度进行镇墩间钢管合拢，合拢时段管壁基准温度为10℃，温度偏差±10℃。

3 管道防腐

埋地钢管内壁防腐需按照输送的介质特性选择，相对内壁，外壁防腐对钢管使用寿命影响更大，应引起高度重视，埋地钢管外壁常采取的优良防腐方案包括：

（1）环氧沥青涂料，结合了环氧树脂强度高与煤沥青防腐性能好的优点，防腐层性能稳定，使用年限长，涂层强度高，施工方便，可半机械化或手工生产，造价低廉，主要用于水下和地下钢结构和混凝土表面的重防腐。

（2）熔结环氧粉末是采用热固性粉末涂料喷涂成膜，防腐性能优越，耐化学腐蚀性好，表面光滑，耐磨、耐高温。在成膜化学反应过程中，环氧粉末树脂受热固化交联形成连续的热固性聚合物，和钢管形成某种程度的化学键，粘结强度高，紧密结合。其已在大型穿越工程中得到验证，被广泛应用于陆上，水下，海底等管线的涂装防腐。在美国该防腐形式几乎取代了传统上的煤焦油瓷漆；杭州湾大桥DN1500（DN1600）钢管桩就采用了三层熔结环氧粉末涂装以抵抗海水的腐蚀，寿命可超过40年。

（3）聚乙烯三层结构防护层，又称三层PE/PP：底层为熔结环氧，中间层为胶粘剂，面层为挤塑聚乙烯。三层PE防腐层，将环氧涂层的界面特性和耐化学特性，与挤压聚乙烯防腐层的机械保护特性等优点结合起来，显著改善了各自的性能。三层PE可使埋地管道的寿命达到50年。该防腐涂层在长距离的输油、气管道中应用广泛。

（4）聚脲涂层，是以聚氨酯树脂为主要成膜物质的涂料，漆膜具有良好的附着力、韧性、耐磨性、弹性和高光泽性，具有优异的防腐性能，耐酸、碱、盐、油、化工大气及良好的耐候性，能在高温下烘干，也能在低温下固化。环氧类材料在持续冲击下易发生破裂和分层，而聚脲涂层则不会有此情况。受限于聚脲涂层的高造价，目前还未在一般供水工程中应用。

王圪堵水库输水钢管管线处于沙漠地带，无腐蚀性，地下水位低，管道在施工现场加工，综合比较，采用方便施工的涂料防腐，钢管内、外表面除锈等级Sa2.5。钢管外壁涂料：底漆采用E06-1无机硅酸锌防锈漆70μm，中间漆采用842环氧云铁防锈漆50μm；面漆采用546环氧沥青超厚浆型防锈漆250μm。钢管内壁涂料：841环氧聚酰胺食品器皿内壁涂料，总厚度330μm。

4 管道覆土回填

管道安装一定长度并验收合格后就应进行覆土回填，以保护管道。好的回填方法对所有埋地管道的安装都很重要，特别是对薄壁结构的钢管更应重视。不合适的填充物会导致管道周围有空隙，容易使管道产生不均匀沉陷，使管道承受设计未考虑的非正常集中力，因此不应将较大的石块、树桩等坚硬固状物回填到管道周围。在美国供水工程协会AWWAM9手册中，对固状物大小的限制为≤76mm，管周围范围指管外壁≤152mm，可作为施工参考。

埋地圆形钢管管道结构刚度与管周土体刚度的比例as均小于1，为柔性管道。虽然如此，钢管依然需要均匀管床垫层承压，防止管道下沉或偏移。只有荷载均匀地分布到整条管线的边拱和底拱，管道的承载能力才可充分发挥。因此，回填料必须进行压实，施工中采用以下两种方式：灌水或喷水密实法；气锤、振动压实机或其他设备密实法。对于可渗透自干式回填材料，如砂、砂砾石，最好最快的方法是水浸密实法，即将所有回填材料浸湿，但注意不应引起漂管。如果用灌水法，应连续一层一层将回填料灌湿。对于密实非排水性材料，如粘土或其他非透水性土壤，不能采用水浸湿润法，由于水不能排出，需要几周或更长时间才可以干到足以支承管道的程度，这类回填土应采用机械设备进行分层压实回填料（如采用抓斗式挖掘机），层厚150mm～300mm。施工时要注意，震动或碾压设备不损坏管道。

王圪堵水库输水钢管沿线管基座落在砂土及砂质粉土地层，承载力满足，除管道底部原土夯实外，全线设置C15混凝土管座，管座厚度0.4m，管座与管道之间弧形角度135°。管沟开挖边坡因地质条件而异，对于沙土地层，地下水位以上临时开挖坡比1∶1.5、地下水位以下临时开挖坡比1∶2；对于黄土地层临时开挖坡比1∶0.75。处于填方段的管基，回填土进行密实处理，相对密度不小于0.65（粘性土压实度不小于0.95）。沙土管基密实处理采用水坠法。风积黄土层、砂质粉土局部具湿陷性，湿陷等级为非自重Ⅰ级～自重Ⅲ级，对于非自重Ⅰ级～Ⅱ级湿陷性黄土段管床，基础处理措施为原土翻松夯实0.3m，铺设0.3m厚的3∶7灰土垫层，再浇筑0.4m厚的C15混凝土管座；对于自重Ⅲ级段管床，基础处理措施为原土翻松夯实1m，铺设1.0m厚的3∶7灰土垫层，再浇筑0.4m厚的C15混凝土管座。灰土的压实系数控制在0.95以上。

5 镇墩设置

压力管道方向改变处，如弯管、岔管、锥管、阀门会出现不平衡推力。管道推力包括由内部压力产生的静水推力，由改变流动水动能产生的动水推力，由于大多数输水管线中水流流速较低，动水推力通常较小，比如水流速度2.4m/s时产生的动水推力小于0.7m水头产生的静水推力。因此，静水推力是管道失去平衡的关键。如果钢管整体连接，其推力可以自身平衡，但当敷设方向改变附近设有柔性接头时，管道将失去平衡，为保证此处钢管的稳定，应采取抗滑稳定措施，包括设置混凝土支墩（镇墩）/钢筋混凝土柱或利用管壁和土壤间的摩擦力等。显然利用管壁和土壤之间的摩擦力来抵抗不平衡力比较经济，不需要增加工程量，只需满足一定的安全长度，使抗滑稳定性抗力系数≥1.5即可。对于管线上小转角弯点，可以充分利用土壤的约束力而不设镇墩，如果通过钢管和土壤摩擦力和侧向压力承受弯点水流的向心力，在弯点附近的上游、下游设置钢或混凝土止推环也可以作为补充和安全储备。当钢管需要作水压试验时，水压试验后才可填土，因此应预先对水压试验的方式、分段进行合理的规划和安排，以便确定镇墩受力，保证镇墩安全和工程预算。

6 问题及结语

输水工程管道以埋地管道为主，作为工业基地、城市建设的重要基础设施，被广泛应用，其输送成本低，输送量大、占地少、运行维护简单等优势。管网敷设遍及工业区和城市的各个角落，为人们的生活提供保障，如何保证管网的正常、安全运行就显得尤为重要。管道材质、敷设地质环境、埋设深度、荷载以及施工质量，都会直接影响管道使用寿命，尽可能精细设计、施工，延长管道使用寿命是非常有意义的。在计算机仿真模型的开发、长距离管道水力计算以及安全保护设备、不同管道-土、沙共同受力模型的研究，管道防腐的改进，新型材料的开发、管道安全监测系统等方面还需要更多的研究，以保证管道的安全性、耐久性和经济性。陕西水利