自流灌區自壓輸水管材比選設計

李和兵

(新疆伊犁州水利電力勘測設計研究院，新疆 伊寧 835000)

1 工程概況

察布察爾縣自流灌區位于中天山北麓的山前沖～洪積傾斜平原。項目區位于海拔高程816～652m的伊犁河南岸Ⅱ～Ⅲ級階地上，地勢南高北低，相對平坦、開闊，微地形多沖溝，沖溝面窄而淺，南北向自然坡降6.5～23.5‰，縱坡較大，東西向縱坡0.25～4.2‰，相對平坦。根據土壤調查，項目區土層厚度普遍偏薄，地形坡度又較大，易形成水土流失。結合灌區地形、土壤、氣象、農作物等自然條件的狀況，噴灌更適合本區地面縱坡較大、土層相對較薄適宜灌溉糧食作物等特點。噴灌灌溉方式輸水管道有多種材質，選用何種材質對工程投資和今后的運行管理將產生巨大的影響，因此，地埋輸水管道管材選擇尤為重要。

2 管材比選分析

管道是自壓輸水系統的主要組成部分，由于它在工程中需要的數量多，占投資比重大，因此選用何種管材應進行科學論證。

自壓輸水管道有多種材質，選用何種材質對工程投資和今后的運行管理將產生巨大的影響，目前國內可供噴灌用的管材有鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管、玻璃鋼管、PVC-U管、薄壁鋁合金管、涂塑軟管以及新產品預應力鋼筒混凝土管(PCCP)，其中薄壁鋁合金管和涂塑軟管主要應用在地面移動支管上，其它幾種管材應用在地埋輸水管道上。本文主要對地埋輸水管材進行比選分析。

2.1 管材特性

2.1.1 大口徑預應力混凝土管

大口徑預應力混凝土管承壓能力一般，一般在0.4～0.8MPa，混凝土管的抗腐蝕性能力差，在含有易溶鹽的地段，使用中必須對砼管采取特殊的防護措施，從而增大了投資，再者砼管重量大，同樣管徑時比玻璃鋼管重十幾倍，運輸、安裝均不便，且破損率較高。

2.1.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管作骨干輸配水管材時，在綜合造價(管材、安裝、土建等)上比同樣管徑玻璃鋼管高，重量為玻璃鋼管的十幾倍，且每根管子長度比玻璃鋼管短。優點是工作可靠，使用壽命長，約60～70年，長期使用后其粗糙程度會隨運行時間的增長而增加，加大水頭損失，影響過流量。

2.1.3 鋼管

鋼管承壓較高，一般1.5～6.0MPa，與鑄鐵管相比管段長，能承受較大壓力，但易腐蝕，壽命約30年左右，鋪設在土層中應有良好保護，其綜合造價亦比玻璃鋼管高，且內部防腐處理難，與玻璃鋼管材相比仍存在著管壁粗糙，水頭損失大，壽命短，重量大的缺點，另外，大口徑鋼管需采用直縫卷焊法加工，制造困難，須根據需要定做。

2.1.4 大口徑PCCP管

大口徑PCCP管承壓能力在0.6～3MPa，使用壽命長(一般規定75年)，鋼性大，不變形。由于PCCP管內外均為混凝土，在含有易溶鹽的地段，必須對PCCP管采取特殊的防護措施，采用較抗腐蝕的水泥，從而增大了投資。再者PCCP管重量大，同樣管徑比玻璃鋼管重幾倍，運輸、安裝均不便，同時需要特殊的專業設備及安裝隊伍，但是一旦安裝完畢，竣工驗收后，一般來說安全性較高，維護量很小，管徑沒有變形。

2.1.5 玻璃鋼管

玻璃鋼管在流量、損失相同的情況下管徑比預應力砼管和PCCP管管徑減小1/5，較鋼管、球墨鑄鐵管減少1/10;其次玻璃鋼管內壁光滑，摩阻系數較小(為0.948×105)，水頭損失小;再有玻璃鋼耐腐蝕抗堵塞能力強，不須防腐，重量輕，可塑性強，運輸、安裝均很方便，安裝技術易于掌握，技術上完全可行;其耐熱性和抗凍性好，在－40～80℃范圍內可長期使用，維修簡單，與其他管材比可節省工程維護費70%左右;其五管材來源容易，新疆已能生產多種規格的玻璃鋼管，等級從0.6～2.5MPa，選擇范圍較廣。

對于中等口徑管道(400mm以上)，在輸水能力相同的情況下玻璃鋼管綜合造價均比球墨鑄鐵管、鋼管、PCCP管低，而且玻璃鋼管運輸安裝相對方便。因此中等口徑管道，應優先采用玻璃鋼管。

對400mm以下的小口徑管道，PVC-U管價格比同口徑、同壓力的玻璃鋼管低，相對較為經濟。

以上就幾種不同材質的管道，做了簡單的定性分析。下面著重將玻璃鋼管、球墨鑄鐵管、砼管、鋼管、PCCP管從技術性能和工程造價上做比較分析:

2.2 管材水力特性

對各種管材的水力特性進行分析比較。從表1分析看，在輸送功率和流量相同的情況下，選用玻璃管，其管道直徑可比選用砼管和鋼管縮小1～2個管徑等級。

表1 各種管材的水力特性、糙率、流量、管徑指數

從表2、表3比較來看，根據測算的長度10000米計算，球墨鑄鐵管和砼管內壁粗糙，不但水頭損失大，而且長期流水內壁很容易產生青苔和藻類物質而縮小管徑減少流量，還會因腐蝕造成水的二次污染。經測算，各種管材比較，從沿程水頭損失、泵容、年耗電量三方面比較，玻璃鋼管幾乎要節約投資一半以上。從上表中比較來看，砼管、鋼管和球墨鑄鐵管要比較玻璃鋼管增加兩個管徑等級。

表2 相同管徑不同管材水頭損失比較(管內徑設計值均為D=1400mm)

表3 相同流量、入水口和出水口情形下不同管徑的比較

2.3 管材技術性能

各種管材壁厚、重量、鋪設長度、機械性能比較詳見表4、表5。

表4 各種材質的壁厚、單重、每噸鋪設長度比較

表5 各種管材的機械性能比較

從表4、表5的有關數據比較分析，玻璃鋼管不但重量輕、強度高、可塑性很強，運輸、安裝方便，還容易安裝各種分支管，不受各種條件限制，用戶經過培訓很容易掌握玻璃鋼管的安裝技術，經很多國內外重點工程應用，用戶反映都很好，因此技術上是完全可行的。

2.4 管材造價

(1)在DN400-DN1200口徑范圍內，在相同流量情況下，預應力砼管綜合造價均高于玻璃鋼管。且玻璃鋼管的性能優于預應力砼管。

(2)從節省投資角度考慮，選用玻璃鋼管比選用鋼管要經濟。鋼管要做防腐層，增加了管道造價，加之安裝運輸費用，綜合造價要比相同流量玻璃鋼管高得多，以DN1200鋼管綜合價相比，每米比夾砂玻璃鋼管高879.8元，每米造價高出55.3%。

(3)以DN1200球墨鑄鐵管每米單價比相同流量玻璃鋼管道高1320.4元，高86.3%。每米綜合造價高1430.22元，高出89.88%。因此，采用玻璃鋼管與采用球墨鑄鐵管相比，可為項目減少大量投資。

(4)在相同輸水能力的情況下，PCCP管綜合造價比玻璃鋼管高，但PCCP管綜合了鋼管和預應力砼管的優點，造價又比同管徑鋼管低，長期使用對水質的影響小，維護費用低，提高了管道的使用壽命。

根據以上綜合比較見表6，本工程的輸水管管徑多在1200mm以下，采用夾砂玻璃鋼管材可比其它管材節約建設資金，給項目帶來一定的經濟效益，故本設計采用玻璃鋼管做為輸水管道。

3 夾砂玻璃鋼管施工

3.1 管溝開挖

管溝開挖前應將管道主要控制樁平移至管溝旁較安全(不易擾動)的地方，管溝采用挖掘機開挖，管槽開挖后人工清除管槽底部雜物，一般情況下一次開挖成形;管件安裝部位應適當加寬，加寬寬度以施工方便為宜。遇有建筑物處可根據建筑物尺寸要求，開挖出建筑物施工斷面，并同時進行基礎處理。在管槽開挖后，應檢查溝底高程，對不符合設計要求的地方應進行處理，然后再進行安裝。

表6 相同流量下玻璃鋼管與預應力砼管、PCCP管、鋼管、球墨鑄鐵管經濟比較

開挖溝糟時，溝底設計標高以上20～30cm的原狀土應予保留，禁止撓動，鋪管前人工挖至溝底設計標高，如局部超挖，需用原土填補夯實。溝底應連續、平整、結實。當溝底遇到巖石、卵石、硬質土、軟的膨脹上、不規則石塊及浸泡土質時，應根據實際情況挖除，鋪設150～200mm厚的細土或砂墊層并夯實，否則易造成管身受力不均，出現某小或局部負荷過大，導致試壓或運行中出現爆管事故。在管溝開挖的同時可將管道布置在管溝不堆土一側，準備安裝。

3.2 地埋管道安裝

管道安裝應按干管、分干管順序進行;按設計要求將管道平順放入管槽內，不得懸空和扭曲;塑料管不得拋摔、拖拉和爆曬，安裝期宜集中，爭取一次成型;在進行管道安裝時，PVC管材與管件在粘合前應用棉紗或干布將承口內側和插口外側擦拭干凈，然后在承口內側和插口外側涂刷上粘合劑并立即找正方向將管端插入承口，用力擠壓，且24h內不得移動管道。管道安裝完畢后，應將每節管段的中部填土固定(露出接頭)，然后進行沖洗試壓。管道沖洗時應按輪灌的方式從上游到下游、逐級、逐段沖洗，直到目測水清為止。試壓水的壓力不應小于管道設計壓力的1.25倍，并做好沖洗和試壓記錄。試壓時應緩慢加壓，達到實驗壓力時即停止加壓并保持10分鐘，壓力下降小于5m即為合格;壓力下降超過允許值時說明有漏水管段，應修補后再次進行試壓直至合格。試壓完后進行管溝回填，回填前應清除溝槽內一切雜物，排凈積水，在管壁四周10cm內的填土不能有直徑大于2.5cm的礫石，回填必須在管道兩側同時進行，嚴禁單側回填。

3.3 其他事項

在管路施工中還應注意以下事項。

(1)在管槽開挖后，應檢查溝底高程，對不符合設計要求的地方應進行處理，然后再進行安裝。

(2)當管道穿越公路、溝道等處時，應加套管、砌筑涵洞等措施加以保護。

(3)附屬設備與管道連接后，應墊置加固支撐，避免設備重量加壓在管道上。

(4)管道安裝施工過程中，及時填寫施工記錄并分施工內容進行階段驗收，尤其對一些意外情況的處理應填寫清楚。

(5)管道安裝工作間斷期間，應及時封閉敞開的管口。

(6)管道連接時，應嚴格安裝已定的施工方法和程序進行。

(7)管道工程完工后，及時整理施工記錄，繪制施工圖，編寫竣工報告等。

4 結語

察布察爾縣自流灌區面積大，利用地形坡降形成自壓噴灌的灌溉型式是該灌區較為合理的灌溉方式，在輸水管道的管材選擇對工程投資和今后的安全運行管理尤顯重要。目前，察布察爾縣自流灌區大部分干管系統已通水投入生產，大部分干管系統管材采用夾砂玻璃鋼管，實踐證明，各輸水管道系統運行安全、方便快捷、經濟合理。

［1］張志新.對新疆發展噴灌的認識［J］.節水灌溉，2007(07).

［2］中國灌溉排水技術開發培訓中心，噴灌工程技術［M］.北京:水利水電出版社，1999.