湛江市引调水工程输水管材选择

2022-11-23程欢欢段民华

黑龙江水利科技 2022年10期

程欢欢，段民华

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510640)

我国水资源时空分布不均，从空间分布上看，南丰北缺，部分地区水资源短缺的问题越来越突出，为了解决这一问题，兴起了大型引调水工程。由于流量较大，引调水工程中多采用中大口径管道输水，管材的投资比重很大，选择适当的管材能够节约投资、便于施工、便于后期管理，因此在前期设计中进行充分的对比，选择适当的管材对于引调水工程意义重大。

1 工程概况

湛江市引调水工程由取水口、引水隧洞、一级泵站、二级泵站、调压塔、输水管道等组成。在雷州青年运河发电枢纽上游东北侧约500m处，鹤地水库东岸兴建取水口。取水口处设防洪闸，后接一条长约643m的引水隧洞(内径3200mm)至泵站前池，隧洞末端设事故闸门。泵站加压后接一条DN2800管道，从北往南沿主河东侧荒地敷设。经由廉江市分水口后，沿东环大道东侧及规划道路廉湛快线西侧敷设一条DN2600管道往南，途径主河、化廉高速至遂溪分水口处二级加压泵站，原水加压后继续往南穿G207国道、西溪河、G15沈海高速、广湛铁路、黎湛铁路、G325国道，之后沿G325国道南侧后向西至湛江大道，经湛江市分水口后输水管道变为1条DN2000管道。管线继续往南敷设至湖光快线，后沿湖光快线北侧往西铺设至西厅水库备用水源处，最终往南至西厅水厂交水点。本方案管线总长约61.924km。

工程区为低山丘陵地貌，总体地势北部较高，南部地势开阔平坦，为海积及海陆混合堆积地貌。工程区基岩主要为泥质粉砂岩、炭质页岩、页岩等沉积岩和全风化砂岩、砂页岩等，局部分布强风化岩碎块或淤泥质土[1]。

2 管材介绍

根据本工程输水流量及压力，拟定管径为DN1600--DN3000。中、大口径输水管道较常用的输水管材有：钢管(SP)、预应力钢套筒混凝土管(PCCP)、球墨铸铁管(DIP)、玻璃钢夹砂管(FRPM)。

2.1 钢管(SP)

钢管因具有强度高、延展性好、管材和管件易于加工等优点在各行各业广泛应用，在我国的大型长距离输水工程中，钢管的应用是最广泛的。钢管具有以下特点：

1)设计适应性强。我国目前在钢管的生产及安装技术方面已比较成熟，设计人员可以根据管道受力等选择各种管径、管型和管壁厚度钢管；管道配件亦可按实际需要进行设计和制作，满足多种管道连接要求[2]。

2)大管径管道在安装时需做除锈和防腐处理，防腐质量不易控制。

3)能适应各种地质条件，能用于穿河、穿路等跨越障碍物工程，抵抗外力影响能力较强，通常不需做管道地基处理。

4)中、大口径管道接口采用现场焊接的方式，管道铺设质量与焊接质量密切相关；施工进度易受天气影响。

2.2 预应力钢筒混凝土管(PCCP)

PCCP管是在八十年代从美国引进的技术，该管基于高强度钢丝和预应力技术，相对于预制混凝土管具有更大的设计应力，相对于钢管具有节约钢材的特点，因此经济性较好，具有钢管和预制混凝土管的双重优点，目前国内已具备管径DN400mm～DN4000mm的生产能力。其主要特点有：

1)预应力钢丝可根据管道承受的外荷载进行设计，承压能力强。

2)管材本身为复合结构，在混凝土管芯和钢筒的双重保护下，抗渗能力较强。

3)依靠外部水泥砂浆保护层具有良好的防腐性能。但外部环境不利时外部水泥砂浆保护层容易被破坏；同时，运输、安装过程中的碰撞、震动也可能破坏砂浆保护层，影响防腐性能[3]。

4)采用承插口连接，安装方便、快捷。

5)管材较重且管径较大。

2.3 球磨铸铁管(DIP)

球墨铸铁管在我国市政供水行业已取得了长足的发展，近几年在水利引调水行业也有良好的发展势头。其主要特点有：

1)管道采用离心工艺整体浇注，材质均匀，无薄弱点，具有较强的承压能力，工作压力0.4～2.5MPa，管顶覆土厚度最高可达5.8m。

2)防腐性能好。

3)连接为承插式接口，安装方便、快捷。

2.4 玻璃钢夹砂管(FRPM)

玻璃钢夹砂管(FRPM)是以热固性树脂为基体、以玻璃纤维及其制品为增强材料、石英砂为骨料制成的复合管材。我国自20世纪80年代开始引入生产制造，广泛应用于市政给水排水工程、水利工程等。玻璃钢夹砂管的特点有：

1)可根据实际需求设计不同规格、压力等级、刚度等级的产品，适用范围广；工作压力通常在0.1～2.5MPa之间；管道环刚度为主要控制指标。

2)内壁光滑，糙率约为0.0084，相对于其他管材摩擦力较小，输水能力较高。

3)由于管道为高性能树脂和高强纤维的复合材料，耐腐蚀、抗冻、耐热、防污抗蛀能力强。

4)自重较轻，采用承插式接口，运输安装快捷简便。

国内制造厂已具备大口径(DN1600～DN3000)的生产能力，但大口径(≥2.5m)在水利工程中的应用实例较少，经验不足。

管材力学性能比较见下表1。

表1 管材力学性能比较表

3 管道投资

依据工程设计方案，对管道投资进行计算，具体见表2。

表2 管道投资比较表

续表2 管道投资比较表

图1 管材投资对比图

由图表可以看出，PCCP管在投资方面具备优势，钢管和球墨铸铁管价格均较高。

4 管材对比

在选择管材时，在满足设计要求的前提下主要从施工难易程度、后期运行维护条件及投资等几个方面进行比选，从中选择综合性能最优的管材。下面就这几个方面对上述常用的输水管材进行比较分析。

4.1 设计要求

工程区地层多为结构松软的淤泥质土、砾质土或黏性土等，工程输水管道多次穿越国道、高速、铁路等交通要道，穿越青年运河等建筑物，地形较复杂。鉴于玻璃钢夹砂管在我国南方沿海地区多次报道过无征兆爆管现象，本工程不宜大量使用该管。而PCCP、钢管和球墨铸铁管则适应性较强，可适应多种复杂地形，可用于跨越障碍物施工[4]。

4.2 施工条件

工程输水线路较长，工程量较大，部分管段经过村庄、城镇、市区等人口密集区域，施工需减少对周边的影响，管道安装要求尽量简单、快速。钢管因接头需在现场焊接，施工速度相对较慢且容易受天气影响；PCCP、玻璃钢夹砂管和球墨铸铁管均可采用承插接口，施工速度较快；但PCCP管自重和管径较大，运输和安装施工对于场地都有相对更高的要求。

另外，输水管道穿越障碍物地层多为全风化砂岩、粉质黏土层等，局部有弱风化砂岩，部分不便于开挖埋管处拟采用顶管法施工。钢管和球墨铸铁管均可用于顶管施工，施工方法相同，需在混凝土防护结构内穿管道施工[5]。PCCP管由于自身的复合结构，可省去防护结构，在用于顶管工程时具有施工简单、节约成本、进度加快等优势。

4.3 运营维护条件

随着管道运维经验的积累，以及相关学者对此的深入研究，人们对于各种管材在运行过程可能发生的问题有了更多的认识，在选择输水管材时自然会将运营维护条件纳入考虑。引调水工程是关乎人民生活的重要工程，管线设计运行的安全性至关重要，这就要求管道在运行过程中爆管、渗漏等事故的发生率尽可能低，事故抢修速度尽可能方便快速。

美国作为PCCP发展较早的国家，在2008年即对该管进行过比较全面的事故统计和分析，发现其存在高水头(0.6MPa以上)安全性偏低，漏损水量大，爆管后维修周期过长等问题。钢管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管因在国内使用经验丰富，生产制造技术已取得较大进步，则能在多种水头压力情况下保持相对稳定的运行，且可采取一定的工程措施使得在管道出现事故后能尽快抢修。

各种管材性能比选见表3。

表3 不同管材结构性能比较表

经比较，钢管和球磨铸铁管在多方面具备优势，主要缺点为价格相对较高。随后设计人员经实地调研，在工程区附近有球墨铸铁管和钢管工厂，运输距离短，供应及时稳定，满足施工强度要求，且能在一定程度上节约投资。因此选择球墨铸铁管作为主要管材，因球墨铸铁管最大口径为DN2600，超过此管径段以及跨河、穿路段采用钢管。