多种管材在宿迁市尾水导流工程中的应用

陈 鸥，徐子令，段育慧

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

长距离输水工程，管材的选择至关重要，它既要保证供水系统安全，又决定工程造价和运行经费。目前国内用于输水的管道主要有：钢管、球墨铸铁管、聚乙烯管、预应力钢筒混凝土管和玻璃钢夹砂管等。不同管道根据工作压力、流速、现场条件、施工方案等择优选用。

1 工程概况

宿迁市尾水导流工程为南水北调东线工程配套工程之一，是保障南水北调东线工程输水安全的重要举措。工程通过新建尾水导流管线将宿迁市12座污水处理厂的尾水输送至新沂河北偏泓，最终东流入海，保证宿迁市工农业生产和人民生活用水安全。尾水导流主线沿“经四路-富民河-通湖大道-开发区大道-宿新高速-新沂河-北偏泓”布置，富春紫光、宿豫、陆集、张家港宿豫工业园区与宏信等5座污水处理厂通过支线接入。线路总长度约69.7 km，管道总长约91.7 km，管径DN500～DN1500。全线管道均为有压流，设计围压1.0 MPa。根据沿线尾水汇入情况，主支线设计输水规模由1.5万m3/d逐渐增至28.6万m3/d。为满足工程运行调度管理与输水需要，工程新建2座尾水调度泵站与5座厂内尾水提升泵站[1]。

2 管径确定

管径选择的影响因素主要为管道输送流量和流速。一定年限内管网造价和管理费用之和最小时的管道流速为经济流速。对于管道设计输送流量已确定的各管段，流速大小直接决定了管径大小。根据工程经验，管径为100～400 mm，经济流速为0.6～0.9 m/s；管径大于400 mm，经济流速为0.9～1.4 m/s。大管径取大值，小管径取小值。各管段最终确定的管径如表1。

表1 主支线管段管径采用表

续表1

3 管材选用

工程管线均沿路边敷设，城区段主要受景观绿化带、河滨带、民房、厂房等影响，非城区段主要受水田、旱地、鱼塘、宅基地等影响。管线穿越重点河道，如古黄河、京杭运河与新沂河；穿越重点道路，如S49新扬高速、徐淮公路与宿迁北高速匝道。管线主要施工方式有开挖、牵引管(DN500～DN600)、顶管(DN1000～DN1500)与沉管(仅穿越新沂河)。根据尾水导流沿线输水规模、所采用的管径及施工方式选择不同的管材。

3.1 玻璃钢夹砂管(RPMP)

玻璃钢夹砂管应用在尾水导流设计管径DN500与DN600的平地开挖施工管段，管道长共计14764 m。根据尾水导流已实施工程运行经验，大口径的玻璃钢夹砂管抗外力能力较差，经常因受外力破坏而更换；小口径管材受外力破坏影响较小。本次开挖管沟按照各分区压实度要求进行回填，若基底淤泥较深且无法完全清除，则采用50 cm厚块石挤淤。玻璃钢夹砂管开挖敷设断面见图1[2]，其余管材挖填施工均可参照此图。

图1 玻璃钢夹砂管开挖敷设断面图(单位：cm)

3.2 预应力钢筒混凝土管(PCCP)

预应力钢筒混凝土管应用在尾水导流设计管径DN1000～DN1500的平地开挖施工管段，管道长共计75 424 m。预应力钢筒混凝土管是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材，充分发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能。预应力钢筒混凝土管多为大口径管，一般管径为DN1400～DN3000，管体自重较重，管摩阻较大。施工时应综合考虑运输条件、现场地质及施工方案等。本次选用预应力钢筒混凝土管需内衬玻璃钢材质，降低摩阻系数，减少运行成本。

3.3 钢管(SP)

本工程中所使用钢管管径为DN1000～DN1500，使用情形有如下三种：(1)用作顶管穿越市级(市管)及以下等级道路与河道，如穿越箭鹿大道、民便河等，共计34处，管道长3991 m。(2)用于开挖埋设穿越省级及以上等级的堤防与可断流施工的河道，如新沂河南堤、古黄河等，但需对钢管进行C30钢筋混凝土包封，共计7处，管道长940 m。(3)用于沉管穿越新沂河砂沟，管道长572 m。钢管在抗弯、抗拉、韧性、耐冲击、耐震动等方面有很大的优势，但耐锈蚀性差。本次钢管管材选用Q235B，管道连接采用焊接方式，

对接焊缝采用X形坡口焊缝型式，对接管口的中心线偏差不得大于1.0 mm，对接管节的管口平面偏差不得大于1.5 mm。顶管时管道外壁采用熔结环氧粉末防腐，层厚不小于400 μm；开挖时采用IPN8710系列互穿网络防腐涂料对钢管内外进行防腐处理，刷涂或喷涂厚度不小于500 μm。

3.3.1 顶管施工

根据施工需要，在管道上预留注浆孔，以便顶管施工减小顶进阻力，或增加中继间。在顶进过程中，须连续不断压注触变泥浆(主要为膨润土)以减少摩阻力和支护土体控制地面沉降双重作用。顶管进入接收井后，应用M15水泥砂浆置换触变泥浆，确保顶管管道与周围土层结合紧密，以截断地下水沿管壁的渗流通道。压注水泥砂浆后，注浆孔采用钢板焊接封堵。钢管顶管注浆断面，见图2。

图2 钢管顶管注浆断面示意图

3.3.2 开挖包封

以双管穿越古黄河为例，两管外径间距1.00 m，C30钢筋混凝土包封厚度0.25 m，管顶埋深不小于1.00 m，包封顶高程以下开挖管沟采用压实度为0.95的黏土回填，包封顶高程以上至河滩现状底高程采用10%水泥土回填，见图3。

图3 古黄河钢管包封敷设断面图(单位：cm)

3.3.3 沉管穿越新沂河砂沟

钢管采用Q345B钢，壁厚18 mm。管道布置二道，并排布置，管道中心距5.5 m。新沂河砂沟长286.0 m，由于管线所在位置河底存在9.0 m厚淤泥层、6.0 m厚细砂层和3.0 m厚中粉质壤土层，不可作为工程管道天然地基持力层[3]，本次冲沉法铺管管底落于粉细砂层顶面，管道中心高程-2.3 m(废黄河高程，下同)。

冲沉前，钢管加工成8～10 m长的管节，运至现场拼装，每根沉管管底设置5根冲泥器，冲泥器可采用带喷嘴的花管，喷孔孔径可取15 mm，采用梅花形布置，喷孔纵向间距可取0.8 m，喷孔横向角度30°，冲泥器高压水流压力1.2 MPa，冲泥器采用分段布置，每段采用不同的泵控制压力，控制下沉姿态与沉降差。

冲沉时，采用河面吸泥船助沉，将冲起的泥浆吸走，减小泥浆容重便于管道下沉；同时在管道上绑混凝土配重块助沉，每米管道增加600 kg配重，均匀布置。

沉至设计标高后，通过高压冲泥器进行注浆，置换出管道周边被搅动土体，确保管道稳定。注浆为水泥-水玻璃双浆液注浆，水泥浆与水玻璃的体积比为1∶0.6。沉管水平段13.5 m范围内采用1.0 m厚格宾网箱护底，格宾网面抗拉强度37 kN/m2，翻边强度26 kN/m2。填石采用强度等级不小于MU30、不易水解、抗风化硬质岩石，填充空隙率不大于30%，粒径以150～300 mm为宜。新沂河砂沟钢管敷设断面，见图4[4]。

图4 新沂河砂沟钢管敷设断面图(单位：cm)

3.4 聚乙烯管(PE)

相对于金属管材，聚乙烯管密度小，材质轻，采用热熔对接，运输、敷设方便，维修容易。本工程采用挤出成型的内外壁光滑的平壁管，采用管径规格分别为DN500、DN600、DN1000与DN1200。其中，管径DN500与DN600聚乙烯管用于穿越道路与河道的牵引施工，如古城路、利民河等，共计13处，管道长3224 m；管径DN1000与DN1200聚乙烯管用于钢筋混凝土顶管的内衬管，如徐淮公路、京杭大运河等，共计11处，管道长2934 m。

牵引施工时，过河管顶最小敷土厚度为2.0 m，过路管顶最小敷土厚度为2.5 m，定向钻机扩孔直径采用聚乙烯管外径的1.1～1.3倍，定向钻进及扩孔的过程中，根据实际地质条件和管道埋深，配置护壁泥浆，以便泥浆黏度维持孔壁稳定性，避免塌孔。牵引聚乙烯管时应同时牵引注浆管，以便压力灌浆。聚乙烯管就位后应对管壁外扩孔空隙采用M15水泥砂浆进行压力灌浆处理，两端废弃引导孔道压注M15水泥砂浆填实。

聚乙烯管作为内衬管时，与钢筋混凝土管之间空隙应充填强度等级为42.5的M10普通硅酸盐水泥砂浆，见图5。

图5 内衬聚乙烯管示意图

3.5 钢筋混凝土管

本工程中，管径DN1350～DN1500钢筋混凝土管作为聚乙烯管的套管，用于顶管施工穿越道路和河道，如徐淮公路、京杭大运河等，共计11处，管道长2934 m。本次选用钢筋混凝土Ⅲ级管，混凝土强度等级不得低于C50，抗渗标号S8。产品出厂前，混凝土强度不应低于设计强度的95%。

顶管顶进过程中，须连续不断压注触变泥浆；顶管进入接收井后，应用M15水泥砂浆置换触变泥浆，具体实施方式同钢管。钢筋混凝土管与聚乙烯管之间空隙充填M10水泥砂浆。

4 多种管材优缺点比较

各种管道满足工程多方面功能要求，每种管道都有各自适应性，从工程现场、适应范围、施工方式、投资造价等多方面对比各自优缺点。

(1)玻璃钢夹砂管(RPMP)。玻璃钢夹砂管内壁光滑，输水条件好，耐腐蚀性能强，重量轻，价格便宜，施工与设计经验成熟；缺点是自身强度不高，抗外力能力较差，适用于小口径(管径1000 mm以下)开挖敷设的输水管道。

(2) 预应力钢筒混凝土管(PCCP)。预应力钢筒混凝土管耐腐蚀性能强，强度较高，造价低，具有高密封性和高抗渗性；缺点是管道自重大，施工速度慢，管道摩阻较大，经内壁减阻处理后适用于大口径(管径1000 mm及以上)开挖敷设的输水管道。

(3) 钢管(SP)。钢管机械强度高，可承受较高的内压和适度的外压，缺点是耐锈蚀性差，刚性焊接接口，施工难度大、速度慢，造价较高，经内外防腐处理后可用于不良地质段管道敷设，以及顶管或沉管穿越道路与河道。

(4) 聚乙烯管(PE)。聚乙烯管属柔性管，耐腐蚀性强，密度小材质轻，管道内壁阻力小，施工快捷；缺点是造价高，受力易变形。主要用于水质保护要求高，管道受荷小的输水管道，以及小口径牵引管施工管道。

(5)钢筋混凝土管。钢筋混凝土管耐久性强，价格低，承载能力强，设计与施工经验丰富；缺点是自重较重，管道摩阻较大，水头损失大，适用于对水损要求不高的输水工况，并能适应开挖及顶管等施工方式。

5 结 论

城市黑臭水体整治及截污导流建设过程中，城市生产生活污水以及污水处理厂尾水常需要远距离有压输送。水头损失越大，所需提升泵站扬程越高，运营成本越大。在输水管道体系建设中，需结合设计流速、围压、现场条件、敷管施工方案，及工程投资等多方面因素，选择合适的管材。宿迁市尾水导流工程根据不同实际情况分别选用玻璃钢夹砂管、预应力钢筒混凝土管、钢管、 聚乙烯管与钢筋混凝土管，可供类似工程参考。