嚴寒地區大型玻璃鋼管道倒虹吸工程關鍵技術

路強

摘要：新疆北疆供水工程倒虹吸作為國內最大口徑的玻璃鋼管道，技術問題非常突出，管道對原材料、鋪層結構、生產工藝、現場管溝填筑等方面都有極高的要求。對國內外已建部分倒虹吸工程進行了介紹，對嚴寒地區大型玻璃銅管道主要設計參數確定、鋪層設計、性能檢測、生產工藝、現場試驗、全過程質量控制等關鍵技術進行了研究。嚴寒地區口徑DN3700玻璃鋼管道上覆土層2.5m，管道剛度為8000N/m^2，接頭剛度≥25000N/m^2，管道最大允許長期垂直撓曲變形為3%較合適。

關鍵詞：嚴寒地區；大型倒虹吸；玻璃鋼管道；鋪層設計；生產工藝；關鍵技術

中圖分類號：TV672

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.021

1工程概述

新疆北疆供水T程穿越準噶爾盆地、古爾班通古特沙漠，由輸水明渠及倒虹吸組成，線路全長512km。其中小洼槽倒虹吸跨越沙漠北緣的蘇魯溝小洼槽，溝寬5.32km，溝深46.00m，兩端高差為4.32m，所屬地層為第四系沖洪積砂、砂巖、泥巖層。倒虹吸全長5.77km，其中管線長5.32km，一期工程設置2根管道，兩端與引水明渠連接，最大靜水壓力為0.46MPa，管道采用玻璃纖維增強塑料夾砂管（RPM），內徑3.1m。供水工程于2005年建成通水，已安全運行12a。根據供水需求的不斷增長，2015年開始實施擴建工程，在原預留進出口位置增設一條相同管材的管線，內徑3.7m，管壓0.65MPa，形成3根管道并行的工程布置格局，總設計流量57m^3/s。倒虹吸管道剖面見圖l。工程難點如下：

（1）綜合難度大。按綜合難度系數（綜合難度系數=水頭壓力×管徑×管長）統計，該倒虹吸擴建T程是迄今為止國內綜合難度較高、管徑最大的玻璃鋼管道工程。超長、大管徑等工程特性對倒虹吸管道的制作、安裝、埋設、運行管理提出了極高的要求，特別是管道鋪層設計及管道安裝回填等必須確保大口徑玻璃鋼管道在該倒虹吸工程中安全可靠。

（2）流量變幅大。每年渠道恢復輸水前，需采用小流量（1m^3/s）緩慢充水。輸水流量為5～57m^3/s，流量變幅大、進出口水位落差大等水力學特性對管道充水、運行、放空等各階段的水力安全控制技術要求高、難度大，特別需解決好高水頭下的消能放空和水錘防護問題。

（3）環境氣候條件惡劣。工程區地處北緯45°以上的嚴寒地區，冬季寒冷漫長，夏季炎熱干燥，春秋季寒潮頻襲，大風天氣多，冬季最低氣溫-41.7℃，夏季最高溫度40.6℃，晝夜溫差為20℃左右，年際溫差高達82℃。特別是管基地質條件較差，部分為膨脹泥巖和沖洪積砂，對管道的變形適應能力提出了極高的要求。

2國內外已建大型倒虹吸工程類比

近幾十年來，我國先后建設了一批大型倒虹吸工程（見表1）。早期代表性工程有武山北梁渠、大圳灌區新安鋪、窄口灌區焦村倒虹吸工程等。從發展趨勢看，隨著經濟社會發展對水資源的需求和區域水資源優化配置的需要，一批跨流域調水工程陸續興建，如南水北調、掌鳩河引水、引黃入晉工程等，倒虹吸逐步向高水頭、長距離和大管徑發展。從材料結構看，早期的倒虹吸工程多用混凝土和預應力鋼筋混凝土材料，隨著材料技術的發展，鋼管、PCCP管、玻璃鋼管等新型管材逐漸運用于大管徑的輸水工程，尤其是PCCP和玻璃鋼管，其造價比鋼管低，工廠化成批生產，安裝方便。近年來纖維纏繞玻璃鋼夾砂管道特別是大口徑地下管道的應用與日俱增，目前已在大型倒虹吸工程和城市供水工程中得到普遍應用。

倒虹吸工程在國外引調水工程中應用更早、更普遍。如：以色列的北水南調工程建成于1964年，有兩條倒虹吸，一條跨越深150 m凹槽，另一條跨越深50 m凹槽，主管道直徑為2.2～2.8m；埃及西水東調工程建成于1997年，將尼羅河水引向西奈半島，工程穿越蘇伊士運河，修建了長750m、最高壓力水頭40m、流量160m^3/s、管徑5.1m的大型倒虹吸工程；美國科羅拉多引水工程建成于1974年，穿越沙漠和山地達390km，共建倒虹吸144條，總長47km。

小洼槽倒虹吸在充分論證管道材料性價比和工程安全性的基礎上，根據壓力等級、溫度、氣候和工程地質條件等因素，采用玻璃纖維增強塑料夾砂管（RPM）方案，在國內大型輸水工程中僅此一例。我國已建的倒虹吸工程采用玻璃鋼管材的大多數為小型工程，管材采用玻璃纖維增強塑料夾砂管的更是少之又少，部分規模較大的倒虹吸工程水頭及管徑相對較小，大部分工程布置和制約條件相對簡單，基本采用小流量變幅以適應水力控制要求。該倒虹吸由于大流量、大管徑、長距離的工程特性，特別是輸水流量和水頭損失變幅很大，因此管道設計參數、鋪層設計及性能檢測、生產工藝、現場試驗、全過程質量控制是工程安全運行的關鍵。

3嚴寒地區大型倒虹吸工程關鍵技術

玻璃鋼管道是工廠化設計生產的復合材料管道，受原材料、鋪層結構、生產工藝、現場管溝填筑等因素影響，無論哪一個環節出

現問題都會對管道的正常使用造成致命的危害。因此，該倒虹吸所采用大口徑玻璃鋼管道作為國內最大口徑的管道，技術問題非常突出。

3.1主要設計參數

根據地層條件，針對DN3700管徑大的特點，經多次研究確定管道剛度為8000N/m^2（通常為5000N/m^2），接頭剛度≥25000N/m^2，承口和插口剛度應一致。承、插口采用雙“O”形密封圈連接，密封圈材質為三元乙丙橡膠，橫截面直徑為38～40mm，壓縮比為40%，環徑比為88%。管道最大允許長期垂直撓曲變形為3%，規范規定長期豎向擾曲變形為5%，考慮到該工程管徑為目前國內應用于倒虹吸工程中最大的，按5%確定管道變形為18.5cm，變形較大，因此管道設計長期豎向擾曲變形提高到3%，嚴格控制管道的變形。

3.2鋪層設計及性能檢測

（1）鋪層設計。在該擴建項目之前，國內玻璃鋼管道實際使用的最大直徑為3.1m。為尋求大口徑玻璃鋼管道技術突破，進行了原材料研究、管道鋪層結構研究，結構鋪層設計首次采用耦合效應較小的多角度、多層次、對稱式鋪層設計，按一層纏繞層、一層夾砂層間隔布置，纏繞層采用多角度、多切點、高張力連續往復交叉纏繞工藝，使管道的可靠性大為提高。同時采用單向布補強技術，有效解決了定長纏繞玻璃鋼夾砂管道承插口軸向強度較低的難題。DN3700玻璃鋼管道鋪層及承插口設計結果見表2～表5。

（2）性能檢測。玻璃鋼管是新型管材，為了進一步了解符合倒虹吸工程各項技術指標的玻璃鋼管的各項性能指標，委托上海同濟建設工程質量監測站依據標準對設計的管道進行性能檢測，DN3700纏繞玻璃鋼夾砂管道性能檢測主要結果見表6。可以看出，檢測結果滿足規范的要求。

3.3生產工藝優點

（1）根據生產試驗研究，對主要原輔材料、成品管檢測以及生產工藝流程過程控制制定了系統的質量控制標準，該標準對確保大口徑玻璃鋼管道生產質量起到了關鍵性作用。通過計算機和PLC精確控制樹脂、玻璃纖維、石英砂的材料用量，確保材料用量比例穩定，使管道的各種材料組分含量在設計范圍內。

（2）管道結構層、鋪層設計采用多角度交叉纏繞、承插口段采用單向布和表面氈加樹脂纏繞，與小口徑管道鋪層設計相比，提高了管道的強度及剛度。

（3）管道內襯制作中表面氈、短切氈、針織氈3種纖維布攤鋪采用機械作業，解決了人工操作搭接寬度不均一的缺陷。

（4）樹脂輸送采用專用泵（非氣泵），輸送流量大，運行工況穩定，樹脂噴淋均勻。

3.4現場試驗研究

由于該擴建工程DN3700玻璃鋼管道是目前國內實施的口徑最大管道，因此在全線安裝前，在管線上進行了120m（10根管）的現場試驗。現場檢驗管道的強度，各種荷載組合下管道的變形，以及管道的嚴密性，為全線工程施工提供安裝回填的指標。

（1）通過試驗段施工，就管溝土方開挖、管基墊層回填、管道裝卸及運輸、進場管材和橡膠圈查驗、管道鋪設中的吊裝方案、連接方法及接口打壓、鋼制管件安裝工藝和方法、管道回填中各分區回填材料、壓實設備及工器具、管道豎向撓曲變形控制和監測等進行了系統的試驗研究，在此基礎上制定了施T和驗收規程。該規程對管道安裝各工序施工工藝及方法、質量標準、質量控制方法等作出了明確的規定，為順利建成目前國內口徑最大的玻璃鋼管道工程奠定了基礎。

（2）管腔回填材料、壓實標準對控制管道豎向撓曲變形起決定性作用。試驗表明，管腔回填料中含礫量越高，壓實密度（相對密度、干密度）越大，對控制管道豎向撓曲變形越有利。

（3）管道腋下三角區為管道回填的薄弱區，采取人工用木棒搗實回填工藝，必須加密抽檢該區域的壓實密度。

3.5玻璃鋼管道全過程質量控制要點

3.5.1管道制作

（1）原輔材料質量控制。生產玻璃鋼管道所需主要原輔材料有樹脂、玻璃纖維、石英砂三大類，各類原輔材料進廠后，不論批量大小，應檢查隨行材料的質量文件，并按現行規范和標準對其理化指標進行檢測復核，把好原材料質量關。

（2）管道鋪層設計。嚴格按主要技術要求精心進行纏繞鋪層設計，合理制定鋪層纏繞工藝，以滿足直管段剛度7500N/m^2，環向拉伸強度7576kN/m，軸向拉伸強度693kN/m，初始撓曲性A水平10.5%、B水平17.5%，承插口段剛度25000N/m^2，內壓環向強度安全系數大于等于7的要求。

（3）管材試驗。要求具有相關資質且具有威望的檢測單位對生產出來的第一根管道進行平行板外載剛度、撓曲水平、強度、巴氏硬度、樹脂含量、樹脂不可溶分含量、接頭內壓試驗，根據檢測結果與規范規定值進行比對，對設計結果進行驗證，以確保設計滿足規范要求。之后每根管道必須按照設計結果進行生產，每根管道出廠前必須進行水壓試驗，以確保管道質量合格。

（4）檢驗。按照規定的技術標準檢驗管材的幾何尺寸及外觀質量。

3.5.2管道存放、裝卸及運輸

管道存放時應設置不少于3道木質管枕，并在管內設置“十”字支撐（不少于4道）。安裝現場臨時存放管材時也可采用弧形砂枕，砂枕粒徑小于20mm，寬度不小于500mm，每根管子砂枕數量不少于9道。

為了保證管材在運輸過程中不發生損壞、變形，應在管材裝車前封口，在管材內安設多道支撐，并將支撐連接，選擇專用車輛（車上安裝3道與管材同心的弧形鞍座，并在鞍座上加裝厚橡膠板，用3道外套橡膠軟管的繩索將管材牢固地捆扎到車輛上）運輸，并采用柔軟、寬松的繩索吊裝，裝卸過程應輕裝輕放。

3.5.3管道安裝及回填

通過試驗段的施工，研究分析機械設備、工器具配置、施工工藝方法、質量控制方法和質量標準，為工程全線展開奠定基礎。

（1）對進場的每根管道及橡膠圈均進行質量驗收檢查，檢查的項目及質量標準嚴格執行規范要求。

（2）管道采用單溝單管，溝槽開挖至安裝高程，應進行承載力檢測，根據地質情況及承載力要求決定是否需要進行基礎換填處理，嚴格控制軸線和管底高程，使其滿足規范和設計要求。

（3）每個管道接口都要進行打壓檢查，檢查在安裝過程中止水橡膠圈是否脫槽或擠裂；在管道回填至管頂30cm以后再次對管道接頭進行打壓，驗證回填對管接頭是否產生影響，保證管道接頭不滲水。

（4）管腔區范圍采用砂礫料填筑，回填時管道兩側壓實面的高差不超過0.3m；分段回填時，相鄰段的接茬應呈階梯狀，不得漏夯，腋下三角區應用木棒人工搗實；鎮墩與管身段基礎應采用砂礫料或混凝土墊層過渡，以減少不均勻沉降。

（5）根據試驗段調整后的壓實指標控制溝槽填筑指標，在回填過程中一定要控制好逐次回填，堅持對稱回填的原則，特別是管軸線以下的回填尤為重要。在管道回填過程中隨時監測管道的豎向變形，在管道回填至設計標高時，控制管道初始豎向變形≤2%。

3.5.4水壓試驗

水壓試驗包括分段水壓試驗和系統水壓試驗，分段水壓試驗包括強度試驗和嚴密性試驗。管道采用小流量沖水后啟動打壓泵，以不大于0.005MPa/min的速率緩慢升壓至0.2～0.3MPa，關閉注水閥浸潤24h后進行壓水試驗。繼續加壓應根據分級逐步升壓的方式升高至規范要求的壓力等級并保壓觀察，按《給排水管道施工及驗收規范》（ GB50268-2008）要求進行 。

3.5.5監測

埋設監測儀器對管道沿線內水壓力、玻璃鋼管接頭、徑向變形、進出口結構變形、溫度、應力、管道應力、土壓力、管道滲漏進行實時觀測，采用安全監測自動化系統及時地了解管道運行情況，為管道安全運行提供保障。

3.5.6運行管理

在管道運行前及放空后需巡線，對管線、放空系統、進出口金屬結構、機電設備及安全監測系統進行檢查，對管道及設備進行定期維護，確保所有設備正常工作。在充、放水及運行過程中應嚴格遵守運行管理規程。

4結語

對大型倒虹吸玻璃鋼管的計算參數確定、鋪層設計、性能檢測、生產工藝、現場試驗、全過程質量控制等關鍵技術進行了研究，為高壓力、大直徑玻璃鋼管道在大型倒虹吸工程的應用提供借鑒和參考。

（1）該倒虹吸采用的DN3700玻璃鋼管，設計壓力為0.65MPa，比實際運行工作壓力提高了0.20MPa，有效地提高了管道結構的安全性。在滿足安全可靠的前提下，節省了工程投資。

（2）根據生產試驗研究，對主要原輔材料、成品管監測及生產工藝流程過程控制制定了系統的質量控制標準，成品管批量抽檢數據充分說明，該標準對確保大口徑玻璃鋼管生產質量起到了關鍵性作用。

（3）管道結構層鋪層設計采用多角度交叉纏繞，承插口段采用單向布和表面氈加樹脂纏繞，與小口徑管道鋪層設計相比，提高了管道的剛度與強度。管道內襯制作中表面氈、短切氈、針織氈三種纖維布攤鋪采用機械作業，解決了人工操作搭接寬度不均一的缺陷。

（4）從目前國內玻璃鋼管的實際運用情況看，絕大部分使用在中小管道上，大口徑玻璃鋼管道使用實例較少，新疆供水工程中的小洼槽倒虹吸有3條5316m的輸水管道，擴建工程成功地應用了直徑為3.7m的大口徑纏繞式玻璃鋼管。DN3700玻璃鋼管在國內屬首次批量生產，通過生產試驗研究，可為國內外類似工程提供借鑒和參考。