不同大口徑管材在西江引水工程中的選用

蘇偉杰

摘 要：隨著城市規模的不斷擴大，大口徑輸水管在城市供水中的應用日益普遍，文章通過對國內幾種最常用的大口徑輸水管道的技術、經濟性能比選研究，推薦適合可供廣州市西江引水工程使用的大口徑輸水管材。

關鍵詞：遠距離取水；管材；比選

廣州市西江引水工程是廣州亞運會配套的民生供水工程，其工程規模是除南水北調工程、上海青草沙工程外的又一國內特大型引水工程，取水設計規模為350萬m3/d，管線全長71.6公里。目前我國在長距離輸水工程中使用的大口徑管材主要有鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）、預應力鋼筒混凝土管（PCCP）管、玻璃纖維增強塑料夾砂管（RPMP）、鋼襯鋼筋砼壓力管，這五種管材在管材特性、輸水安全性、施工難度及市場供應情況等方面都存在差異。本文以廣州市西江引水工程為實例，對上述五種常用管材進行技術經濟比較研究，從而選擇出運行安全可靠、施工方便、造價經濟的管材。

1 輸水管道安全性

西江引水工程輸水管道距離長，管徑大，周邊沿線經濟交通繁忙，工程建成后將成為廣州市的主要城市供水水源，因此必須選擇安全性能高，壽命長的管材。

鋼管環向強度、彈性模量較高，防滲性能較好，但是防腐性能差，且接口的焊接施工要求較高，現場焊接質量控制難度較大，以往發生的鋼管爆漏事故中，損壞點基本都在焊口位置。

球墨鑄鐵管強度高、接口可靠，安全性能較好，但由于材料特性和生產工藝的限制，國內生產的最大規格為DN2600，不能滿足本工程輸水管徑方面的要求。

夾砂玻璃纖維管的管壁強度低，機械強度差，抗沖擊性差，尤其不宜設于剪力集中位置，對于長距離大型輸水管工程安全系數偏低，實際工程應用以中、小口徑為主，缺乏大口徑管道的使用經驗。

PCCP管有良好的抗滲性及耐久性，由于構成PCCP的所有鋼材都被密實的混凝土或水泥砂漿所包裹，承口鋼圈和插口鋼圈安裝后其外露部位均進行保護，混凝土或砂漿提供的高堿性環境使得包裹在PCCP內部的鋼材純化而不會發生腐蝕，因而使PCCP具有良好的防腐蝕性能，一般能達到60年以上。

鋼襯鋼筋砼壓力管的內襯鋼筒外包300厚鋼筋砼結構在覆土深度為0.7米的情況下能夠滿足管道本身的強度、剛度、穩定等各項要求以及抗浮穩定。同時，由于外包混凝土的存在使得鋼襯鋼筋砼壓力管的剛度較大，即使在汽車荷載與覆土荷載的共同作用下變形亦很小，滿足管道的變形限制要求。

綜上所述，從管道安全性方面考慮，鋼襯鋼筋砼壓力管和PCCP管優勢最為明顯，鋼管及球墨鑄鐵管次之，夾砂玻璃鋼管較差。

2 管材施工技術分析

西江引水工程管線口徑大，安全性要求高，是否具備成熟可靠的施工技術，也是管材選擇必須考慮的重點之一。

2.1 鋼管（SP）

鋼管施工一般采用現場焊接形式，技術較成熟，由于重量適中，管材特性可方便切割和連接，管道配件可以按需要進行制作，對復雜現場條件和各種地質條件適應性強，在現場焊接技術得到有效控制的情況下，可以確保不會發生滲漏。鋼管敷設時，必須采取適當的鋼管內外壁防腐措施，施工過程中，應注意對防腐層的保護。根據以往工程經驗，管徑在DN2200以上的管道每道焊口焊接時間一般不少于24小時，即使多道焊口同時焊接，施工時間也較長。

2.2 球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管一般采用橡膠圈密封，承插接口，密封性好，施工技術成熟，重量適中，對地質條件實用性較強，一般需要做簡單的管道基礎，施工速度較快。

2.3 玻璃鋼夾砂管（RPMP）

玻璃鋼管一般采用橡膠圈密封，承插接口，密封性好，施工技術較成熟，重量很輕，對地質條件適用性較強，一般需要做簡單的管道基礎。玻璃鋼管對于施工現場的管理要求較高，對于回填質量要求很高，是目前各種管材中要求最高的一種，使工程費提高。玻璃鋼管單根長度較長，且重量小，不需防腐處理，因此施工速度較快。

2.4 預應力鋼筒混凝土管（PCCP）

PCCP管一般采用雙橡膠圈承插接口，施工技術較成熟，密封性好。管道兩側管槽回填料的密實度要求低于玻璃鋼管，可以使開挖后的土壤得到更多的回填利用，有利于提高工程建設進度、降低工程造價和對環境的影響。

由于PCCP管重量較大，因此對施工機械的要求是幾種管材中最高的，目前PCCP管旋工常采用大型龍門吊或大型履帶吊車，兩者各有利弊，一般根據施工企業的自身機械設備情況、經驗和現場地形條件、土質狀況等綜合選用，根據目前國內實際情況，大規格的PCCP管道吊裝機械已經比較常見，不會成為制約因素。

大口徑PCCP采用雙O型橡膠圈止水，密封性能高，接口帶有試壓點，安裝后可用每個接頭逐一單獨試壓，有利于保證施工質量。接頭安裝后，一般都能一次打壓成功，滴水不漏。這種型式的接頭可以承受高達3.0MPa以上的水壓力。根據類似工程經驗，每個施工作業面每天可安裝PCCP管道約12根，根據不同的管徑和管節長度每日安裝進度約50～80米，施工速度較快。

2.5 鋼襯鋼筋砼壓力管

一般情況下，鋼襯鋼筋砼壓力管的施工步驟是：管溝開挖——基礎處理——澆筑底板砼——安裝（焊接）鋼管——扎上部鋼筋網片和支模板并澆筑砼——回填。

通過上述管道連接安裝方式的比較可以看出，PCCP管和夾砂玻璃鋼管的安裝施工較為方便，施工方式也有保證。鋼管的焊接方式耗時長，而且焊接質量易受現場氣候因素及施工條件的影響。鋼襯鋼筋砼壓力管施工耗時最長。

3 管材比選及結論

3.1 管材特性比較

從水力條件而言，玻璃鋼夾砂管最優，糙率系數為0.001；PCCP管居中，鋼襯鋼筋砼壓力管、鋼管和球墨鑄鐵管相當，糙率系數約為0.013。從管材的工程力學特點考慮，鋼管適用性最強，環向強度、彈性模量較高，可承受較高的內水壓力和管頂外荷條件，能適應各種地質條件。鋼襯鋼筋砼壓力管由于澆筑底板砼且外包混凝土，故能承受較高的內水壓力和管頂外荷條件。球墨鑄鐵管承受外壓的能力比鋼管差，接口為柔性，管道轉彎處需設支墩，以防接口脫落。PCCP管是半柔性接口，要求管道基礎局部變形不應過大。玻璃鋼管相對而言壁薄，為柔性管道，對基礎與回填要求較高。從管道的使用壽命而言，鋼襯鋼筋砼壓力管使用壽命最長，球墨管、玻璃鋼夾砂管、PCCP都也可以達到50年以上，鋼管的使用壽命取決于防腐層施工質量和運行維護水平等因素。從管材的生產運輸靈活性而言，鋼管及其管配件可工廠生產或現場制作，接口采用就地焊接，運輸和施工安裝方便。球墨管、玻璃鋼管和PCCP管材和管配件都需工廠定做。玻璃鋼管重量輕，運輸方便。PCCP管自重最大，運輸較為困難。

3.2 口徑范圍、管材制造供貨及國內應用實例等比較

鋼管設計制作方便，口徑范圍廣，在大量供水工程中得到了廣泛應用，在長距離輸水工程中鋼管的使用積累了最為豐富的經驗。

大中口徑球墨鑄鐵管，國內生產規格一般不超過DN2600，實際應用超過DN2200的較少，能制造的廠家也不多，缺乏市場競爭力，價格高。

玻璃鋼夾砂管國內已具備大中口徑的生產能力（DNl600～ DN3000），制造工藝為纖維纏繞型，但在城市給水工程中應用較少，以DN1600及以下口徑較為成熟，大于DN1600以上實際應用很少。

預應力鋼筒混凝土管（PCCP）國外實際使用最大口徑己達6.4m以上。到目前為止，國內PCCP管規格范圍從DN600到DN4800，適用工作壓力最高達1.6MPa，最大覆土深度達10m以上。近幾年國內應用長距離大口徑PCCP的主要工程如表1所示。

上述己竣工通水的工程迄今為止未因管道質量問題發生過事故，顯示出了該管材的供水可靠性，為長距離輸水創造了有利條件。

3.3 結論

綜合以上因素考慮，玻璃鋼管應用于壓力供水以DN1600及以下口徑較為成熟，大于DN1600以上實際應用很少。結合西江引水工程所在地區地形地質狀況分析，管線沿線地形和地質條件變化復雜，管線沿線障礙較多，玻璃鋼夾砂管適應性不強，故此不推薦采用。

由于制造技術、能力等方面原因，國內能生產的大口徑球墨鑄鐵管（DN2200～DN2600）價格居高不下，比鋼管和PCCP管要高出許多，國內能制造的廠家也不多，生產能力均有限，市場缺乏競爭力。

結合本工程特點，適合的大口徑管材（DN3200以上）有鋼管和PCCP管。考慮到管線沿線總體來說交通運輸條件較好，地質條件也可以滿足大口徑PCCP管的要求，且PCCP管埋管單位造價較鋼管低，因此大口徑（>DN3200）輸水管道的主管材推薦采用PCCP管，局部穿越障礙（道路、河流）工程采用鋼管。

對于配水支線管道，由于管道基本在廣州市區道路邊緣及道路上敷設，考慮管道的運輸及安裝條件，配水管道管材均考慮采用鋼管。