大口徑HDPE輸水管道在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用

朱永濤，楊 蒙，張志華，霍志久

（河北省水利科學(xué)研究院，石家莊 050051）

水工材料

大口徑HDPE輸水管道在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用

朱永濤，楊 蒙，張志華，霍志久

（河北省水利科學(xué)研究院，石家莊 050051）

HDPE管道具有重量輕、耐腐蝕、施工便捷、輸水能力高、安全可靠等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于給排水工程中。結(jié)合河北省南水北調(diào)工程，介紹了大口徑HDPE管道的設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)，為今后類似工程提供了技術(shù)支撐和范例。

大口徑；長距離；HDPE；輸水管道；施工；應(yīng)用

1 工程概況

邢清干渠是河北省南水北調(diào)配套工程中全面開工建設(shè)的第2條大型輸水干渠，全長168.758km，承擔(dān)向邢臺(tái)市11個(gè)縣市的輸水任務(wù)。干渠采用重力自流輸水模式，管道選用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）、高密度聚乙烯管（HDPE）。南宮干線作為邢清干渠的重要組成部分，線路全長44km，采用DN1200、DN1400 2種超大口徑HDPE輸水管道，輸水流量0.85～1.1m3/s，設(shè)計(jì)內(nèi)壓0.6MPa，是我國目前超大口徑HDPE輸水管道中最長的。

2 HDPE管道

2.1 HDPE管材

高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，簡稱HDPE）是一種由乙烯共聚生成的熱塑性烯烴，具有結(jié)晶度高、非極性等特點(diǎn)。

HDPE管道是采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)，通過熱擠塑成型，具有耐腐蝕、流動(dòng)阻力小、重量輕、擁有較高的剛性和韌性等特點(diǎn)，具有傳統(tǒng)管材無法比擬的優(yōu)勢，代表了未來新型管材的發(fā)展方向。

2.2 管材優(yōu)點(diǎn)

2.2.1 輸水能力高

HDPE管道通過能力高，其內(nèi)壁曼寧系數(shù)0.009，且管內(nèi)不易結(jié)垢、長苔，因此比同口徑大的其他傳統(tǒng)管材具備更高的輸送能力。

2.2.2 儲(chǔ)存運(yùn)輸方便

HDPE管屬于柔性管材，具有良好的抗沖擊性能，且脆化溫度低，一般條件下施工不必采取特殊保護(hù)措施。HDPE管道的低重量，使其便于運(yùn)輸與儲(chǔ)存，對人力和設(shè)備的需求較小。

2.2.3 管道施工方便

HDPE管道重量輕、柔性好，可以預(yù)制較長管線，管線預(yù)制可與管道開挖同時(shí)進(jìn)行，節(jié)省工期，且HDPE管道具有多種施工技術(shù)，可以采用例如頂管、定向鉆等非開挖方式，不受季節(jié)、氣溫影響，對施工條件適應(yīng)力更強(qiáng)。

2.2.4 防腐性能優(yōu)異

HDPE分子沒有極性，所以化學(xué)穩(wěn)定性好，施工時(shí)不需進(jìn)行表面防腐處理，一般土壤中的化學(xué)物質(zhì)難以對管道造成降解作用，正常使用年限在50a以上。

3 HDPE管道設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)

3.1 管道選擇

南宮干線試驗(yàn)段是國內(nèi)首次對大口徑HDPE輸水管道的長距離應(yīng)用，其中在樁號N0+000～N31+700段采用單排DN1400 HDPE管道，在樁號N31+700～N43+931段采用單排DN1200 HDPE管，選用的管材如表1。

表1 南宮干線管材、管徑分布 單位：mm

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

采用的HDPE管道結(jié)構(gòu)計(jì)算如表2。

表2 HDPE管結(jié)構(gòu)計(jì)算成果 單位：N/mm2

3.3 基槽開挖橫斷面布置

根據(jù)GB50268—2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》和DB13/T 2162—2014《大口徑聚乙烯（PE）給水管道工程技術(shù)規(guī)程》，HDPE管底應(yīng)鋪設(shè)壓實(shí)系數(shù)不小于0.90的150mm厚中粗砂墊層，管底180°范圍內(nèi)回填壓實(shí)系數(shù)不小于0.95的中粗砂，管底180°范圍到管頂范圍內(nèi)采用壓實(shí)系數(shù)不小于0.95的原土回填，管頂至地面以下0.5m范圍內(nèi)采用壓實(shí)系數(shù)不低于0.90的原土回填，表層虛鋪耕作土，并預(yù)留沉降高度。對于穿路地段，按路基設(shè)計(jì)有關(guān)規(guī)范進(jìn)行回填，管道鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1。

圖1 HDPE管道鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

經(jīng)對中粗砂墊層回填方案和全部原狀土回填兩種方案進(jìn)行分析研究，工程選用了原狀土進(jìn)行回填。其中，管頂以下壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，管頂至地面以下0.5m范圍內(nèi)壓實(shí)系數(shù)不小于0.90。管道鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2。

圖2 HDPE管道原狀土回填橫斷面

3.4 管道熔接

管道熔接主要采用熱熔焊接工藝，焊接過程中應(yīng)注意事項(xiàng)：

（1）熱熔加熱面結(jié)構(gòu)應(yīng)符合焊接工藝要求，加熱面溫度分布應(yīng)均勻并對溫度控制要精確 （加熱板表面溫度204℃～232℃）。熱熔連接前、后應(yīng)使用潔凈的酒精（濃度須達(dá)95%以上）棉布清理加熱面。

（2）設(shè)置熔接壓力（80MPa）、加熱時(shí)間（DN1400為589s，DN1200為505s）、加熱溫度和施加的壓力（熔接界面壓力值0.414～0.621MPa）及保壓、冷卻時(shí)間（DN1400為64min，DN1200為54min）。 作業(yè)期間應(yīng)固定連接件且不能在連接件上施加外力。

（3）連接件加熱完畢后，應(yīng)迅速脫離加熱工具并檢查加熱面融化的均勻性和是否有損傷。然后采用均勻力使連接面對接并翻邊形成均勻一致的凸緣，對凸緣的高、寬度是否符合有關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢測。

（4）熔接時(shí)使用管道支架，使焊接中的拖動(dòng)壓力降到最低。

4 打壓試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)布置

對樁號N4+456～N4+756全長300m段中的各種閥件、鋼塑轉(zhuǎn)化接頭、彎頭、管道三通、管道熱熔、管道電熔等部分進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

供應(yīng)鏈管理就是通過整合供應(yīng)商、生產(chǎn)商、銷售商等各供應(yīng)鏈上的眾多環(huán)節(jié)當(dāng)中，減少供應(yīng)鏈的成本，促使物流和交易信息的交換，以達(dá)到在正確的時(shí)間及正確的地點(diǎn)，生產(chǎn)以及配送適當(dāng)?shù)恼_商品，提高企業(yè)的總體效益。

試壓前應(yīng)進(jìn)行不小于12h的充水浸泡，浸泡時(shí)對未回填的外露連接點(diǎn) （包括管道與管道附件連接部位）進(jìn)行檢查，如有滲漏應(yīng)進(jìn)行處理。

4.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

管道試壓采用管道試壓泵、0～1.6MPa壓力表（最小刻度0.04MPa）、DN1400管端打壓封頭、DN20流量表、離心泵，打壓裝置如圖3。

圖3 打壓裝置連接示意圖

4.3 試驗(yàn)步驟

管道水壓試驗(yàn)分預(yù)試驗(yàn)與主試驗(yàn)2個(gè)階段。

4.3.1 預(yù)試驗(yàn)階段

（1）將試驗(yàn)管段內(nèi)的壓力降至與外界相等后隔斷空氣60min。

（2）使用增壓泵向試壓管段注入凈水，使管道壓力緩慢升至試驗(yàn)壓力并穩(wěn)壓30min，期間可注水補(bǔ)壓，但管道壓力不得高于試驗(yàn)壓力。對管道接口、配件等進(jìn)行滲漏檢查，有滲漏應(yīng)中止試壓，待查明原因并采取相應(yīng)措施后重新試壓。

（3）停止補(bǔ)壓并穩(wěn)壓60min，若管道壓力不低于試驗(yàn)壓力的70%，則預(yù)試驗(yàn)結(jié)束，否則重新補(bǔ)壓并穩(wěn)定60min后觀測，直至管道壓力不低于試驗(yàn)壓力的70%。

4.3.2 主試驗(yàn)階段

預(yù)試驗(yàn)階段結(jié)束后，迅速對管道經(jīng)行泄水降壓處理，降壓量為試驗(yàn)壓力的10%～15%（降至0.68～0.72MPa），期間所泄出的水量，設(shè)為△V。允許泄出的最大水量△Vmax為：

式中 V為試壓管總?cè)莘e（L）；△P為降壓量（MPa）；Ew為水的體積模量；Ep為管材彈性模量（MPa），與水溫及試壓時(shí)間有關(guān)；di為管材內(nèi)徑（m）；en為管材公稱壁厚（m）。

根據(jù)公式計(jì)算，打壓段允許最大泄水量1.35m3。若△V大于△Vmax（1.35m3），應(yīng)停止試壓，泄壓后排除管內(nèi)過量空氣，再從預(yù)試驗(yàn)階段第2步開始重新試驗(yàn)；若△V不大于△Vmax（1.35m3）時(shí)，則進(jìn)行以下步驟試驗(yàn)：①每3min記錄1次管道壓力，持續(xù)30min。在此期間管道壓力有持續(xù)上升趨勢，則水壓試驗(yàn)結(jié)果合格。②如30min內(nèi)無上升趨勢，再持續(xù)觀察60min。若90min內(nèi)壓力下降不超過0.02MPa，則水壓試驗(yàn)結(jié)果合格。③若以上兩條均不能滿足，說明水壓試驗(yàn)結(jié)果不合格，則應(yīng)查明原因并采取相應(yīng)措施后重新組織試壓。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

南宮干線N4+456～N4+756段DN1400 HDPE管道打壓試驗(yàn)，預(yù)實(shí)驗(yàn)階段：30min注水補(bǔ)壓、穩(wěn)壓期內(nèi)壓力保持穩(wěn)定，穩(wěn)壓30min后管道接口及管件處無漏水、損壞現(xiàn)象，穩(wěn)壓60min后壓力下降值為0.02MPa（允許下降值為0.08～0.12MPa）；主試驗(yàn)階段：泄水降壓出水量0.8m3（最大允許出水量1.35m3），30min穩(wěn)壓期內(nèi)壓力呈上升趨勢。水壓試驗(yàn)結(jié)果表明：管道的接口及無漏水、損壞現(xiàn)象，壓力保持穩(wěn)定，管道強(qiáng)度、嚴(yán)密性符合規(guī)范要求。主試驗(yàn)階段管道壓力記錄結(jié)果如表3。

表3 主試驗(yàn)階段管道壓力記錄結(jié)果

5 結(jié)語

大口徑HDPE輸水管道在河北省南水北調(diào)配套工程南宮試驗(yàn)段的長距離應(yīng)用，很大程度上縮短了施工工期，保證了工程質(zhì)量，提高了輸水率，并為以后的水利工程輸水管道提供了更多選擇，為國內(nèi)外供水工程樹立了一個(gè)新的典范。

［1］DB 13/T 2162—2014，大口徑聚乙烯（PE）給水管道工程技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］馬立，于海濱.大型HDPE管道在哈爾濱市沿江生活污水截流工程中的應(yīng)用［A］.中國水協(xié)設(shè)備材料委非金屬管材選型與應(yīng)用技術(shù)交流研討會(huì)論文集［C］.2008：332-335.

［3］曾煥麗.寬扎河引水工程HDPE管道設(shè)計(jì)施工技術(shù)［J］.山西建筑，2007，20：196-197.

［4］黃樹其.HDPE管管道鋪設(shè)質(zhì)量控制［J］.施工技術(shù)，2011（S2）：301-303.

［5］錢恒河.HDPE管材的開發(fā)現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2002（3）：36-41.

［6］侯景林.市政排水工程中HDPE管的應(yīng)用探討［J］.企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2014（23）：56-57.

［7］溫曉瑩.高碑店再生水補(bǔ)水工程中大口徑PE管材施工質(zhì)量控制［J］.給水排水，2006（16）：86-88.

Application of ultra-large diameter long-distance HDPE pipes in the South-North water diversion project

ZHU Yong-tao,YANG Meng,ZHANG Zhi-hua,HUO Zhi-jiu
（Hebei Provincial Academy of Water Resources,Shijiazhuang 050051，China）

HDPE pipeline with a light weight,corrosion resistance,convenient construction,water delivery capacity,safe and reliable performance,it is widely used in water supply and drainage engineering.Through a combination of Hebei Province South North Water Diversion Project introducing the large diameter HDPE pipe in long distance water transfer project engineering design and construction key points,for future similar engineering provides theory and technology support.

large diameter;long-distance;HDPE；water pipe;application of pipe;construction;application

TU991

B

1672-9900（2015）06-0053-04

2015-09-22

朱永濤（1974-），男（漢族），河北雄縣人，教授級高級工程師，主要從事水利工程試驗(yàn)研究與工程檢測，（Tel）18633463024。