输水管道管材及管径选择浅析

桑 亮

（北京市南水北调工程建设管理中心，北京 100195）

0 前言

管材是影响大型引调水管道工程造价的主要因素,不同管道材料，其水力学特性、耐久性、安全性、经济性、施工难易等方面均有不同。管材的选择应考虑输水管道的重要程度,管道根数和长度、运行方式及有无调节设施、管道直径、正常工作压力和非稳定流极限压力、外部荷载、管道沿线地质条件及地形起伏程度、使用寿命、供货、运输、工期、安装等因素综合确定[1]。

输水工程中，管材的选择应从工程的规模、重要性、水质状况、对管口径及公压的要求、工程地质、地形、外荷载状况、工程的工期要求、资金的控制等方面进行综合分析比较后确定。一般而言，适合输水工程的有预应力混凝土管、PCCP管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管，但预应力混凝土管抗渗性能稍差，修补率高，抗高压性能差，故本文仅对钢管、玻璃钢管、PCCP管、球墨铸铁管进行比较。

1 管材比选

目前，结合国内管材生产和工程运行的实际情况，选择钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、预应力钢筋混凝土管及预应力钢筒混凝土管（PCCP）共五种管材进行了比较。对其功能要求，封闭性能高、输送水质佳、水力条件好、设备控制灵、建设投资省。

1.1 功能评价

通过对各功能重要性进行评价打分，对各个管材方案进行功能评价。

管材方案功能系数：

各管材方案成本系数：

式中：Bi为考虑管材防腐和安装费的延米价格。

由各方案功能系数和成本系数计算各方案价值系数:

根据工程实践经验，比较各管材方案的价值系数，PCCP管材方案系数最大，其次为球墨铸铁管方案[2]。

1.2 各管材方案对比分析

1.2.1 钢管（SP）

钢管刚度小，易变形，内衬及外防腐要求严，必要时需做阴级保护，施工过程中组合焊接工作量大，使用寿命较短，价格较高。玻璃钢管（玻璃纤维增强热固树脂夹砂管）内外壁平滑，具有重量轻、耐腐蚀、水头损失小，造价低等优点，但基础与回填要求较高，尤其是生产过程控制对管道的影响很大。

钢管应用历史长，范围广，管材较轻，强度高，管道接口精度高，供水安全性好，施工敷设方便，适应性强，接口形式灵活，管道渗漏量较少，适合用于复杂地形段和穿越各种障碍运输及施工相对较容易。

1.2.2 球墨铸铁管（DIP）

球墨铸铁管由于其延伸率可达10%，具有铁的本质，钢的性能，耐压、防腐性能较好，施工方便，国内生产大口径球墨铸铁管的最大口径为DN2600 mm，该管材价格较高。

球墨铸铁管被广泛应用于城镇供水、输气，在建筑领域占有重要地位。①原材料资源丰富，并可再生利用，对环境无不良影响；②经济可靠，耐腐蚀，且寿命长，方便现场施工；③滑入式柔性接口具有结构简单，密封性较好的特点，承口考虑了橡胶圈的定位和偏转角问题，能适应一定的基础变形，具有一定的抗震能力，同时可利用其偏转角实现管线长距离的转向；缺点是价格较高。

1.2.3 玻璃钢管

玻璃钢管重量轻耐腐蚀，内壁光滑不结垢，阻力小，同等条件下比其他材质管道水头损失小、节省能耗、安装方便。但玻璃钢管管壁相对较薄，为柔性管道，对基础与回填要求较高；生产过程控制对管道的质量影响很大。

1.2.4 预应力钢筋混凝土管（PCCP）

预应力钢筋混凝土管是较经济的管材，但工作压力不宜过高，且接口因施工工艺决定，容易变形、漏水，管身抗渗性能比较差。

1.2.5 PCCP管

PCCP管使用了经水压检验的钢筒，兼具钢材的抗拉、抗渗及混凝土的抗压、耐腐蚀性的优点，所以能承受较高的内压和外荷载；承插口安装快捷、方便，接头密封性能好；耐腐蚀性高，对地基的适应性及抗震性好；内壁光滑，不形成瘤节，表面不结垢，不会对水质产生二次污染，在运行中水头损失少，能保持较好的通水能力。PCCP为直筒型，运输方便，且钢质接头使得运输安装过程中无损耗。安装时沟槽开挖宽度窄，接口工作坑较浅，安装方便，综合造价低，在满足抗渗性好的前提下，单位工程造价较低。经国外运行经验证明，寿命在60年以上，经济效益非常显著[3]。

预应力钢筒混凝土管（PCCP）均按《预应力钢筒混凝土管设计规程》（美国C304-2014）进行设计和生产。世界上管线最长的预应力钢筒混凝土管工程在利比亚，全长3100 km，直径4 m，工压2.8 MPa，工程现已完工。目前，国内应用大口径预应力钢筒混凝土管的工程，见表1。

表1 应用大口径预应力钢筒混凝土管工程一览表

PCCP管的缺点是重量较重，运输及安装有一定难度，但国内施工单位已创造了槽内安装简易设备，施工方法简便、施工速度加快。

1.3 比选结果

经过上述分析，预应力混凝土管、PCCP管、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管具有不同的优缺点，实际应用中应根据项目的实际情况进行管材及管径选择，对比结果，见表2。

表2 四种管材综合比较表

综上所述，PCCP管在超大口径（DN3000 mm以上）的压力管道中PCCP管具有较明显的优越性。

2 管径比选

选择管径时，一般采用最小系数法，计算各方案的费用现值（PC），在满足同等输水流量的情况下，费用现值较低的方案最佳。

式中：Co为流出量，即费用，包括投资和运行费用，ic为折现率[4]。

以南水北调工程某输水线路为例，通过泵站加压输水，输水流量为0.7 m3/s，输水管道长39.6 km，通过比选，采用球墨铸铁管，根据输水流量，初步选择800 mm、900 mm、1000 mm3个管径方案进行计算，不同管径经济指标计算结果,见表2[5]。

表2 不同管径经济技术指标

工程建设期按2年，分年度投资每年50%，折现率7%，按设计建筑物级别为3级，合理使用年限为50年，将各方案投资和年运行费折现，计算各方案总费用现值。

计算可知，DN900管径方案费用现值最小，为最优方案。

3 结语

经济发展和城市化进程的加快，导致我国城市及工业用水量急速增加，长距离输水工程是解决这一问题的主要措施之一。随着科学技术地不断发展，输水管道在新材料、新技术应用方面有了较大进步，不同管道材料和不同管径使得工程投资也有所差异。实际工程中，应通过管道的功能性评价，结合工程实际对大型引调水工程的管材及管径进行选择，控制工程费用，使得项目效益最大化。