引汉济渭二期工程输水管道管材比选

杨军超

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

1 概述

引汉济渭二期工程承担着向调入区重要城市供水、促进经济发展和改善生态环境的重要任务，由黄池沟配水枢纽、南干线、北干线组成。工程等别为Ⅰ等大(1)型工程，输水干线主要建筑物及交叉控制建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级，供水保证率要求不低于95%。二期工程压力管道主要布置在北干线，北干线始端设计流量30m3/s，压力管道长为53.58km，占北干线总长的60%以上。其中黄池沟至杨武分水口段压力管道长19.61km，杨武分水口至板桥出水池段压力管道长19.81km，张阁村至泾河新城段压力管道长14.16km。

北干线输水距离长、保证率要求高，特别重视工程的安全性，双管输水布置，设计流量30～13.5m3/s，流量规模大，管径范围3400～2400mm，工压范围0.4～1.6MPa，通过黄池沟右岸秦岭北麓中低山、秦岭山前洪积平原、河流漫滩、河流阶地及渭北黄土台塬等地貌单元，沿线地质条件多变，地形起伏高差大，管顶覆土厚度2～13m，多次穿越秦岭断裂带、河流、高速铁路、高速公路等，运行工况复杂，占投资比例高，增加了供水管道选型难度，选择合理的管材用于施工尤为重要。

2 输水管道管径及管压确定

长距离大口径输水管材选择充分考虑管径、管压、地质条件、管材性能及工程应用经验，进行技术、安全、经济综合比较[1-2]。

2.1 管径确定

引汉济渭二期北干线工程输水管道线路长、流量大，受水区对供水的保证率及可靠性要求高，为了保证供水的可靠性，输水管线需按不少于2条输水管线布置。建设3条管道管线，虽管径稍小，但管线长度增加较多，沿线附属建筑物多，运行维护工作量大，尤其是工程占地面积多，协调难度更大，移民占地补偿费用更高，投资增加明显。因此采用双管道输水。

输水压力管道为有压重力流输水，在保证管道输水能力的前提下，管径的选择要合理且最经济，以达到控制投资的目的。根据相关规范选定输水管道设计流速范围为0.6～3.0m/s，黄池沟至板桥出水池段管径范围为2.2～4.9m，满足各控制点水位要求情况下，沿线的水头损失不应超过16.88m，黄池沟至板桥出水池选取管径DN3200、DN3400、DN3600mm进行试算比选；张阁村至泾河新城段管径范围为1.7～3.8m，满足各控制点水位要求情况下，沿线的水头损失不应超过9.68m，张阁村至泾河新城选取管径DN2200、DN2400、DN2600mm进行试算比选[3]。根据水头损失计算公式，不同管径的水头损失计算结果详见表1。

表1 不同管径的水头损失计算表

根据表1计算结果可知，黄池沟至板桥出水池段管径DN3200mm的总水头损失过大，不满足控制点水位要求；管径DN3400mm的总水头损失为15.80m，满足要求，且接近最大允许值；管径DN3600mm的总水头损失过小，且管径大投资较多。因此，选定黄池沟至板桥出水池段管径为DN3400mm。张阁村至泾河新城段管径DN2200mm的总水头损失过大，不满足控制点水位要求；管径DN2400mm的总水头损失为9.02m满足要求，且接近最大允许值；管径DN2600mm的总水头损失过小，且管径大投资较多。因此，张阁村至泾河新城段管径确定为DN2400mm。

2.2 管压确定

根据管道所处位置、管线的水头损失及管线沿程各类阀的开关运行时所引起的水锤引起管道压力增加，依据GB 50013—2018《室外给水设计标准》和CECS 193—2005《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》，管道在采取水锤防护后不应出现水柱分离，瞬时最大压力不应大于正常工作压力的1.3～1.5倍，工作压力应为最大使用压力(含水锤压力)加0.2～0.4MPa安全裕量，管道最大水锤压力为正常工作压力的1.35倍，安全裕量取0.3MPa[4-5]。经综合考虑，黄池沟至板桥出水池段管道内水压力分别取0.8、1.0、1.4、1.6MPa；张阁村至泾河新城段管道内水压力分别取0.6、1.4MPa。

3 管材性能及工程应用

结合国内管材生产、管道安装和本工程的实际情况，长距离大流量输水工程使用钢管(SP)、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、球墨铸铁管(DIP)、玻璃钢管4种管材较多，但玻璃钢管质地较脆，刚度低、承受外荷载和负压能力较差，对沟槽基础垫层要求较高，抗浮能力较差，实际工程应用多以DN2000mm以下为主。在已确定输水管道管径和设计压力的基础上，重点对钢管、PCCP管和DIP管3种管材的性能优缺点及工程应用情况进行分析[1-2,6]。

3.1 钢管(SP)

钢管广泛应用于各行各业，水利工程输水钢管通常选用钢板制作，高强度，韧性好，管件易加工。钢管的优点是强度高，承受内压能力强，承受外压能力稍弱；接口多样，糙率低，水头损失较小，重量较轻，安全性能高；防渗性好，不良地质适应能力强，一般不需做基础处理，管道配件可按照实际需要进行设计和切割制作，结构简单、施工方便、维修方便[7]。

钢管的缺点是价格相对较高，接口焊接工作量大，若焊接质量达不到规范要求易发生渗漏，抗腐蚀性能差，使用寿命较短，管道内、外壁需做防腐处理，设置阴极保护措施来提高使用寿命。

3.2 预应力钢筒混凝土管(PCCP)

PCCP管内部嵌置钢筒，缠绕预应力高强钢丝，外部喷砂浆保护层。PCCP管管径范围广，管径一般为600～4000mm，可承受较高内压及外部荷载，工作内压范围0.4～2.0MPa，管顶覆土可达5m以上；采用承插连接，橡胶圈止水密封性高，安装后逐一打压；耐腐蚀性能好，安装接口需作防腐，管道外壁根据地质情况做防腐处理，有时需设置阴极保护措施来确保使用寿命；施工安装简单快捷，安全可靠，工程造价较低[8]。

PCCP管缺点是重量较重，尤其在高覆土，高工压时，为几种管材中最重，大口径PCCP管的运输较困难，运输效率低，现场施工也需修筑较高等级的临时便道，采用较高吨位的履带吊进行吊装，运输和施工限制因素多；生产制造控制指标多，流程复杂，尤其是管芯裂缝问题、大口径承插口制造、防腐、管道基础处理等质量环节多、控制难度大；预应力钢丝易断丝，维修困难。

目前PCCP管已广泛应用在水利、电力、市政工程等各个领域，长距离、大流量输水调水工程中，尤其在超大口径的应用具有明显的优越性。典型工程应用有：南水北调中线京石段工程应用最大管径DN4000mm，设计压力0.6MPa，长度约112km[9]；山西万家寨引黄工程应用DN3000mm，设计压力0.6～1.0MPa，长度36.5km；辽宁大伙房输水工程应用DN2400～3200mm，设计压力0.6～1.0MPa，管道总长144km[10]；辽西北供水工程采用920kmPCCP管道，管径DN3200、DN3400、DN3600、DN3800mm，设计压力分别为1.6、1.4、1.2、1.0MPa；广州西江引水工程中应用DN3600mm，设计压力0.6MPa，管道总长51.6km；吉林省中部城市引松供水工程中应用的DN4000mm，设计压力0.8MPa，管道总长20.975km。

3.3 球墨铸铁管(DIP)

球墨铸铁管的管径一般为80～2600mm，工作压力为0.6～3.0MPa，管径DN80～DN2200mm已具备批量生产能力，使用非常广泛。DIP管强度比钢管大，使用寿命最长，承受压力较高，很少出现爆管、漏水现象；采用柔性接口，地基适应能力较强，抗震性能高；具有良好的防腐性能，现场不必进行额外防腐；运输安装方便，工期短，费用较低[11]。

DIP管的缺点是大口径管道国内生产厂家较少，市场竞争少，管件价格较高，重量较钢管重，承受外部荷载性能较预应力钢筒混凝土管稍差。

现阶段，DIP管在国内主要的的长距离、大流量引调水工程已得到广泛应用，典型工程应用有：南水北调北京段应用DN2400mm，设计压力1.0MPa，长度约34km；新疆大西沟管线引水工程应用DN2200mm，设计压力2.3MPa，长度约17km；太原引黄工程应用DN2200mm，设计压力1.0MPa，长度约30km；云南红河州河库连通工程应用DN2000mm，设计压力1.6MPa，长度约17km[12]。

4 管材选用综合分析

根据本工程特点，考虑地质条件、管材性能及工程应用经验，本文从技术、安全运行、经济等方面对相同管径、相同管压的钢管、PCCP管和DIP管3种管材进行比选。

4.1 技术方面比较

钢管安装维修方便，管件极易加工，防渗漏性能较好。但对焊接接口质量要求高，焊口应进行100%无损探伤及防腐补口处理，耐腐蚀性差，管壁内外壁需设置阴极保护设施，安装费用高；DIP管防腐性能较好，承插柔性接口，管件厂内加工，安装方便，施工工期短，对地基适宜性较强，重量较钢管大；PCCP管防腐性能好，管件定制周期较长，重量最大，通行道路要求高，现场吊装施工较困难，承插柔性接口，管道发生位移时，易发生渗漏。

根据调研可知，在实际工程应用中大口径DN3000mm以上PCCP管应用具有明显的优越性，设计压力一般小于1.6MPa，以1.2MPa以下为主，只有在辽西北供水工程中使用1.4、1.6MPa的PCCP管。因此，设计压力高于1.2MPa，不推荐采用PCCP管材。不同管材技术性能对比详见表2。

表2 不同管材性能对比表

4.2 安全运行方面比较

PCCP管管节个别钢丝断裂会引起更多断丝开裂，一旦开裂将影响管材的预应力效果，可能造成爆管的致命危害。维修需要根据爆管位置，完成停水调度和截断爆管，更换整个管材，费时且难修复。为保证工程运行安全，需增设PCCP管安全监测设施；钢管、DIP管在出现漏水、爆管等突发事件时，无需停水关阀，钢管直接焊接修复破坏点，DIP管需用管箍接头连接，并更换管节。钢管管节数量多，现场焊接、探伤、焊缝补口防腐等工艺施工周期长，对施工人员要求高，安装质量很难控制，对管道长久运行造成隐患。为增加防腐效果，重要的输水工程应用钢管时外加阴极保护。DIP管抗腐蚀性能优良，一般环境条件不需要加其他防腐措施，运行安全性更好。

4.3 经济方面比较

对相同规格管材进行经济对比，管件到场单价通过询价及报价确定，安装费、阴极保护费用、运行监管费参考已建工程取值，分析得出管材综合单价规律。管材管径3400mm：钢管综合单价较高，PCCP管较低；管径2400mm∶DIP管综合单价最高，钢管次之，PCCP管最低。不同管材综合单价对比详见表3。

表3 不同管材综合单价对比表

4.4 管材确定

根据本工程的特点，管线输水距离长、供水保证率要求高，特别重视工程的安全性，充分考虑管径、管压、地质条件、管材性能及应用经验，从技术、安全运行、经济方面综合比选，黄池沟至板桥出水池段管材管径3400mm，设计压力范围为0.8～1.6MPa，压力等级1.2MPa以下推荐选用PCCP，既可靠又经济；压力等级1.2MPa以上选用钢管，虽然较选用PCCP管投资稍微增加，但高内压使用钢管可靠度更高。穿越秦岭北塬断裂带，地质条件差的低压力管道、黑河、渭河管桥段采用钢管。

张阁村至泾河新城段管材管径2400mm，设计压力范围为0.6～1.4MPa，压力等级1.2MPa以下推荐选用PCCP管，既可靠又经济；压力等级1.2MPa以上选用DIP管，穿越泾河管桥段采用钢管。压力等级1.2MPa以上段，技术上采用钢管和DIP管都可行，采用钢管造价稍低，但钢管易腐蚀，一旦防腐处理不当，将直接影响其使用寿命和输水能力，采用DIP管工程运行安全，可靠性更高，因此选择DIP管。

二期北干线工程输水管道管材选型方案科学合理，采用钢管长度为71.76km，PCCP管长度为14.30km，DIP管长度为10.55km。钢管内防腐采用溶解环氧粉末，外防腐采用热熔聚乙烯；PCCP管在现场不再额外内防腐处理，外防腐采用环氧煤沥青涂层；DIP管现场不再额外防腐处理。PCCP、钢管采用阴极保护措施，同时合理布置检修阀、调流调压阀、排气阀等管道附属设施，能保证输水管线的安全性及供水可靠性。

5 结语

目前，国内大型引调水工程不断增多，输水管道占投资的比重很大，有效开展输水工程管材的比选研究日益重要。本文通过对引汉济渭二期工程适宜采用的钢管、PCCP管、DIP管3种管材进行分析比选，确定了最优的管材选型方案，可有效保证工程按期通水，避免了更换管材带来投资增加的风险，降低了工程安全运行风险。上述管材比选是基于长距离、大口径、地质条件复杂、供水保证率要求高的大(1)型输水管道工程进行的，其他输水工程管材类型选择还需结合工程实际情况，考虑管材选择涉及的各个因素，综合分析确定最适宜的管道管材类型。