广西百色水库灌区长距离输水管道设计研究

蒙世仟，朱新民，崔 炜，楼胤志

（1.广西水利电力勘测设计研究院，广西 南宁 530023；2.中国水利水电科学研究院，北京 100038）

1 研究背景

广西桂西北治旱百色水库灌区工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程之一，开发任务为灌溉为主、兼顾城乡生活生产供水，是我国在丘陵地区建设的大型现代化节水灌区。工程灌溉面积59.2万亩，主要建设内容包括5条总长137.74 km的干管和76条总长201.03 km的支管。灌区骨干工程分为2个部分，即百色水库引水部分和右江提水部分。百色水库引水灌溉39.2万亩，引水流量6.6 m3/s，泵站提水灌溉面积20.0万亩，提水流量4.56 m3/s，扬程80～90 m。干管最大内径2.8 m，内水压力等级1.6 MPa。骨干工程可概括为：一座取水口、两座河道提水泵站、五条干管、五条隧洞、五座调压井、七座一级提水泵站、76个分水口、141个高位水池。水工建筑物数量多，输水管道系统长度大，运行压力高，水力过渡过程复杂。

输水干线管道工程区大部位于右江河谷盆地，盆地内地貌主要为右江河谷阶地，局部由于构造隆起为剥蚀堆积丘陵。盆地外围被剥蚀堆积丘陵、侵蚀剥蚀低山地貌所包围。工程区内多为沉积岩，出露地层有石炭系、二叠系、三叠系、下第三系及第四系地层，侵入岩主要为印支期深灰绿色辉绿岩。灌区内特殊性岩土主要为下第三系膨胀土，不良地质现象为采空区、崩塌等。区域性断裂为右江断裂，从工程区北部穿过。右江断裂是一条活动的走向滑移断裂，位移速率建议值为：水平位移速率为每年1.98 mm，垂直位移速率为每年0.2 mm［1］。

灌区地下水划分为第四系孔隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩岩溶水，沿线地下水对混凝土一般具有弱～中等腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀程度为弱～中等腐蚀性，对钢结构腐蚀性程度为弱～中等腐蚀性。

本工程管道总长度大，累计超过300 km，沿线跨越活动断裂带，地下水具有腐蚀性。因为每个管道设计断面可能影响数公里甚至数十公里长度的管线，管道设计需谨慎对待，如果考虑不周，会给工程运行安全留下隐患。为了充分保障管道运行安全，本文针对工程条件进行了管道选型分析，给出了分段选型建议；研究了PCCP各组分的应力状况，评估了结构承载能力，提出了改进砂浆层和防腐的建议；对管道穿越断裂带和不均匀沉降区的应对措施进行了探讨。

2 管道选型分析

大量运用于输水工程的管材有：混凝土管类，包括预应力钢筋混凝土管（PCP）和预应力钢筒混凝土管（PCCP）；玻璃钢管类，包括定长玻璃钢夹砂管（FRPM）、离心浇铸玻璃钢管和连续缠绕玻璃钢管（CWFP）；铸铁管类，包括灰口铸铁管（GIP）和球墨铸铁管（DIP）；钢管类（SP），包括直缝焊接钢管和螺旋焊接钢管；塑料管类，包括硬质聚氯乙烯（UPVC）管、聚乙烯（PE）管等。目前，国内外在长距离、大流量的大型输水工程中，常用大口径管道（DN1200 mm以上）管材主要有PCCP、PCP、FRPM、CWFP、DIP和 SP［2-4］。

从过流能力来讲，CWFP、FRPM的内壁糙率系数最小，约为0.009。PCCP、PCP及内部涂刷防腐涂层的SP和DIP，内壁糙率系数较大，范围为0.011～0.014。

SP的寿命主要取决于其防腐标准及质量，在弱～中等腐蚀性水土环境下，通常采用环氧煤沥青涂层并预留蚀余厚度的防腐方式，寿命勉强能够到30年。DIP的寿命也与防腐处理有关，普遍能够达到30年。CWFP和FRPM耐腐蚀，但存在老化问题，埋地管道寿命能够达到50年，但是，根据实际应用经验，这种管道制作质量容易失控，需加强监造。从现有国外实例来看，PCCP寿命能够保证50年。

管道的价格差异较大，除了管材本体费用之外，还要考虑施工、防腐、监测等费用。SP的防腐涂层、阴极保护、防腐监测的费用较高，施工期电费、降排水费用也会占有一定的比例。混凝土类管道自重大，在丘陵地区要充分考虑其运输费用和软弱地基的处理费用，在坡度大的地段安装，结构要作特殊处理，运输费和吊装费较大。CWFP、FRPM的回填材料需要制备，这部分费用较高。根据国内应用SP、DIP、CWFP和PCCP等4种常用管材，单位长度的工程造价变化趋势见图1［2］。综合比较显示，口径为DN1600 mm时，SP、DIP、CWFP的综合造价大致相近。PCCP价格最低，口径越大价格优势越大，费用可降30%～40%。

图1 不同管材单位长度埋管的工程造价变化趋势

在长距离输水工程中，管材所占引水项目投资额主要部分（50%～70%），因此，合理选择管道材质尤为重要。上述六种管材的性能综合比较见表1。根据百色水库灌区工程的建设和运行条件，对所述管材综合性能比较项目按照“最好、好、较好、较差、差、最差”进行6个等级的评分，对应分值分别为5-0分，以DN2400 mm管道为例，对表1的管材综合性能进行评分。评分结果显示，PCCP和CWFP管的分值最高。因此，推荐百色灌区工程常规地段，管径DN2800 mm～DN1800 mm首选PCCP，管径DN1600 mm～DN100 mm首选DIP，CWFP作为备选；对特殊地段中的电化学腐蚀段，首选CWFP，DIP作为备选；当管线穿越复杂地形和障碍建筑物时，首选螺旋焊接SP，直缝焊接SP作为备选。

表1 管材综合性能比较表（以DN2400mm为例）

3 PCCP管道复合结构受力研究

3.1 计算模型PCCP由持力结构、防渗体、防腐层组成，各组份的力学状态差异明显，结构受力机理复杂，是结构计算中的难点［5-7］。本工程采用埋置式预应力钢筒混凝土管，管道组成见图2。

图2 埋置式PCCP结构示意图

本文的研究对象为管径最大（2800 mm）、工作压力最高（1.6 MPa）、覆土厚度最大（4 m）的管段，管道结构具体参数见表2。采用非线性有限元力学仿真方法研究管道结构的力学状况，计算程序为ABAQUS［8］。

表2 PCCP结构设计参数

材料强度、弹性模量主要参考规范［9-10］取值，均取标准值。管芯混凝土强度等级为C50，砂浆保护层强度等级为MU45，混凝土、砂浆层采用混凝土损伤塑性模型，考虑脆性材料的拉伸和压缩破坏机制。钢筒、钢丝定义为弹塑性材料，屈服准则为MISES准则。钢丝为双层，模型按实际情况分两层螺旋缠绕，见图3，据此所建的整体模型较为复杂，整体模型见图4。分析模拟了管道制造、回填、正常工作压力运行、发生水锤等工况，共分为6个计算步：（1）混凝土管芯就位，内层钢丝缠绕并施加预应力，预应力值取0.7倍的抗拉强度；（2）添加覆盖内层钢丝的砂浆层，外层钢丝缠绕并施加预应力，预应力值与内层钢丝相同；（3）外层砂浆施加；（4）PCCP外侧土回填，施加外部土、水压力；（5）正常工作压力运行，压力1.6 MPa；（6）发生水锤，压力值取1.4倍的工作压力。本文模型中钢丝按实际尺寸和间距模拟钢丝螺旋缠绕，计算步中分层、分次张拉，均是非常精细的，以往的文献未见报导。此项工作的意义在于精细的模拟比简化模拟更贴近实际。

图3 两层钢丝螺旋缠绕细部

图4 整体模型和网格

3.2 变形状况在制造期，PCCP管芯受钢丝预应力作用而产生内缩，位移量约1 mm。在施工回填时，管道在竖向被压扁，管道顶、底相对位移约1 mm，管侧向外变形约0.4 mm。在正常工作内压作用下，管道向外膨胀变形约0.4～0.6 mm。发生水锤时，再向外膨胀变形约0.2 mm。

3.3 持力结构的应力钢丝张拉缠绕期应力为1100 MPa，因钢丝为分两层张拉缠绕，外层钢丝张拉缠绕时，内层钢丝会略微回缩，预应力损失约50 MPa。PCCP在正常工作内压下，钢丝拉应力升高约50 MPa，发生水锤时，拉应力进一步升高约20 MPa，内层钢丝拉应力升高至1112 MPa（见图5），外层钢丝升高至1175 MPa。钢丝应力满足强度要求。钢丝应力全过程曲线见图6。

在管道制造期，混凝土管芯以环向受压为主，压应力约16～20 MPa，内表面压应力大于外表面。管道回填施工对管芯的应力改变较小，压应力值变化约1～2 MPa。在正常工作内压作用下，管芯混凝土的环向压应力减少约8 MPa。发生水锤时，压应力进一步减少约3 MPa，管芯内侧压应力减小至11 MPa、外侧减小至5 MPa，见图7。管芯内壁应力全过程曲线见图8。

图5 水锤工况内层钢丝应力（单位：Pa）

图6 钢丝应力全过程曲线（单位：Pa）

3.4 防渗结构应力在管道制造期，钢筒随混凝土管芯内缩、沿环向受压，压应力值约110 MPa～120 MPa。管道回填施工造成钢筒的应力改变较小，变化值约5 MPa。在正常工作内压作用下，钢筒压应力减少约50 MPa，发生水锤时，压应力进一步减少约20 MPa，减少至40 MPa。钢筒应力远小于设计强度值，安全裕度较高。

3.5 保护层力学状况覆盖内层钢丝的砂浆层在制造、管道回填、正常工作工况，均处在环向受压状态。在管道回填时，覆盖外层钢丝的砂浆侧壁出1～2 MPa的拉应力。正常工作内压作用下，砂浆外层拉应力值超过2 MPa；发生水锤时，砂浆层全部处在拉应力状态，最大拉应力值约2.5 MPa，见图9，将导致保护层砂浆开裂。砂浆层开裂在PCCP实际应用中是常见现象，这是由PCCP的构造特征决定的：砂浆层无预压应力，管道充水时立即处在受拉状态。常规砂浆的抗拉能力远小于抗压能力，强度标准越高，弹性模量越高，用作PCCP保护层时，在内水压力作用下的拉应力水平越高，越容易开裂。因此，在满足强度等级要求的前提下，应优先采用低弹性模量的砂浆层。此外，因管道沿线地下水对混凝土和钢材具有腐蚀性，为了防止PCCP钢丝、钢筒、砂浆保护层的腐蚀破坏，PCCP拟采取表面涂层与阴极保护相配合的防腐措施［11］。PCCP砂浆保护层外表面防腐涂层拟采用黑色无溶剂环氧煤沥青防腐涂料，厚度600 μm，涂层道数1道。

图7 水锤工况管芯应力矢量（单位：Pa）

图8 管芯内壁应力全过程曲线（单位：Pa）

图9 水锤工况砂浆层应力（单位：Pa）

4 管道穿越断裂带和不均匀沉降区的应对措施

本工程大直径管道采用PCCP和DIP，均为埋地刚性管道，管节之间采用承插口连接，抗变形能力弱。对处于右江断裂带区域的管道，使用年限内可能出现10 cm水平错动位移，需采取可靠的管道连接措施，避免管道出现渗漏破坏。

大型管道释放管道错动位移常用的接头方式有承插口接头、伸缩节法兰连接、卡箍接头［12］。卡箍接头形式之一的挠性卡箍接头在连接管端设置沟槽，通过卡箍壳体、密封止水、环向紧固螺栓、表面油脂涂层等配件和配料实现连接和封闭，是一种安全可靠、简便易行的管配方式。几种常用接头的性能对比见表3，从对大变形的适应能力、方便施工和运行期维护等几个方面来看，卡箍挠性接头的性能均是优越的，其抗偏转能力可确保埋地管道具有良好的抗折变形能力。因此，将卡箍挠性接头作为管道穿越右江断裂带和不均匀沉降区的抗断、防漏措施。

理论分析表明，挠性卡箍接头间距越小，管线适应地层变形的能力越强。但是，布设密集的接头会增加工程的造价。目前，右江断裂具体地质构造与管线的交叉部位尚不能明确，有必要根据未来管线沟槽开挖揭露的地质情况确定接头的布设位置。根据右江断裂水平位移速率，暂定沿该段管线长度方向间隔500 m布置一对挠性卡箍接头，以增加管道间变形协调能力，减小特殊地段管道破坏风险。降低后期运行维护费用。跨右江断裂带的DIP采用自锚固约束接口，接口具有可约束的柔性，能够满足抗拔脱和偏转要求，不必再做特殊处理，可解决水平错动问题。

表3 几种管道接头的性能对比

5 结论

（1）百色水库灌区工程大直径管道选型，采用综合性能评分法进行比较后决定，常规地段管径DN2800 mm～DN1800 mm首选PCCP，管径DN1600 mm～DN100 mm首选DIP，CWFP作为备选；对特殊地段中的电化学腐蚀段，首选CWFP，DIP作为备选；当管线穿越障碍建筑物时，首选螺旋焊接SP，直缝焊接SP作为备选。

（2）在PCCP制造期、回填、运行过程，管芯混凝土、钢筒均处在压应力状态，预应力钢丝处在拉应力状态，应力均低于材料强度，且有一定安全裕度。钢丝最大拉应力与强度设计值之比为0.75，混凝土管芯最大压应力与强度设计值之比为0.87，结构承载力满足安全要求。

（3）PCCP管道复合结构受力研究模型，首次按实际尺寸和间距模拟了钢丝螺旋缠绕，分层、分次张拉的过程。（说明：按实际尺寸和间距模拟钢丝螺旋缠绕，分层、分次张拉计算，需要十分细致的建模和分析。这一条在前人公开发表成果中没有发现，本文是首次这样做的。）成果给出了管材各组份在制作、回填、正常内压、水锤过程中的应力、变形变化规律。

（4）现有PCCP构造方案的保护层砂浆在水锤工况会开裂。在腐蚀性水土环境下，砂浆层裂缝容易引发预应力钢丝应力腐蚀和断裂。砂浆层开裂在PCCP实际应用中是常见现象，这是由PCCP的构造特征决定的。为解决此类问题，提出在满足强度等级要求的前提下，PCCP应优先采用低弹性模量的砂浆层，增加砂浆的变形适应能力，降低其拉应力。砂浆保护层外表面拟采用黑色无溶剂环氧煤沥青防腐涂层，与阴极保护措施相配合，达到防腐和延长管道寿命的目的。

（5）本灌区大口径管道所穿越的右江地质断裂带是一条活动断裂，变形逐年累积。为了避免管道错断，经分析提出PCCP沿线间隔布置挠性卡箍接头，增加管道间变形协调能力，减小特殊地段管道破坏风险，降低后期运行维护费用。