呼圖壁化工工業區供水管道優化設計及連接要點分析

常陸軍

(新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100)

新疆自治區地處西北內陸，氣候干旱少雨，區內大面積水資源匱乏，且分布極度不均，很多經濟發達地區用水矛盾日益突出。因此在“一帶一路”新政策背景下，設計科學合理、經濟實用的供水管道、人為調節水資源平衡已成為保證該地區經濟社會持續發展的必要手段。

1 工程概況

呼圖壁縣工業園化工工業區位于大豐鎮北部，用地面積4291.74hm2。由于呼圖壁縣煤炭資源豐富，工業區將重點發展煤焦化、煤化工、有色金屬冶煉等產業，必然會顯著帶動當地經濟的快速發展。根據相關測算，工業區近期(2020年)需水量為1605.68萬m3/a，遠期(2030年)需水量為2922.68萬m3/a，當地供水規模遠達不到該標準，因此設計一條全長約28.1km管道，以保證工業園的日常用水。

2 工程地質條件分析

依據工程布置方案，供水管線起始于呼圖壁熱電廠管道預留分水口，終點至呼圖壁縣化工工業園區。經地質勘查得出管路沿線地形、巖性及地基土物理、力學性質等參數。

2.1 工程地質條件

項目區在地貌上處于河流沖洪積平原中上游，地面高程540～647m，地形開闊、平坦，總體地勢呈東南高，北西低，管道沿線主要分布有農田、耕地、林帶及渠道等。

根據勘探揭露，項目區地層主要為第四系沖洪積卵礫石及低液限粉土層，層厚0.3～2.0m，其物理力學性質見表1。該低液限粉土層具有中等壓縮性，工程地質條件較差[1]。

表1 表層巖性物理力學性質

2.2 工程地質評價

2.2.1 地基土凍脹性評價

項目區標準凍深約1.5m，根據顆分試驗，卵礫石中粒徑小于0.075mm顆粒含量為2.1%～9.5%，為非凍脹性土；低液限粉土中粒徑小于0.075mm顆粒含量為57%～87%，為凍脹性土。

2.2.2 地基土濕陷性評價

地基土濕陷性對管道建設影響較大，在此利用公式(1)計算項目區地基土總濕陷量ΔS[2]。經計算，本項目低液限粉土層總濕陷量ΔS=33.3～343mm，濕陷性范圍在輕微(Ⅰ級)—中等(Ⅱ級)。

ΔS=∑β·δsi·h

(1)

式中，β—修正系數，取1.5；δsi—土的濕陷系數；h—土層厚度，mm。

2.2.3 地基土腐蝕性評價

3 供水管道優化設計

3.1 供水方案確定

3.1.1 各類管材比選

初步設計本工程管道設計輸水總流量0.93m3/s，全程自壓，管道首段靜水壓力19.11m，末端靜水壓力171.73m，根據管道內靜水壓，管道需承壓0.6～2.5MPa。根據該項目管道較長、沿線交叉建筑較多、管材承壓較大等特點，設計供水管材從以下3種進行選?。呵蚰T鐵管(DIP)、預應力鋼套筒砼管(PCCP)、涂塑鋼管[3]。

表2 各類管材優缺點對比

3.1.2 供水方案比選

根據沿線地質情況及不同管材特點，排除適應地基變形較差的預應力鋼套筒砼管[4]。在此初步對以下3種輸水管材方案進行比選，具體如下。

方案一：全程PCCP管

該方案設計全程采用PCCP管，根據需水量雙管鋪設，設計單管流量為0.651m3/s，管材承壓范圍在0.6～2.5MPa，總造價約為9108.8萬元。PPCP管承壓高、壽命長，完全滿足使用要求。

方案二：PCCP管+球墨鑄鐵管

該方案設計樁號0+000—11+500為PCCP管，總長度為11.5km；樁號11+500—28+100為球墨鑄鐵管，總長度16.6km。雙管鋪設，設計單管流量為0.651m3/s，總造價約8391.9萬元。

方案三：全程涂塑鋼管

該方案設計全程采用涂塑鋼管，雙管鋪設，設計單管流量為0.651m3/s，各個參數滿足使用要求，總造價約9532.5萬元。

從使用壽命、抗壓能力等考慮，3種方案均滿足要求。但樁號0+000—12+000段沿線穿越農田、道路及渠道較多，對承受外壓要求高，本段宜使用PCCP管；樁號12+000—28+100段地層有一定濕陷性和腐蝕性，而球墨鑄鐵管具有強度高、防腐劑好、良好可撓性和伸縮性等特點，因此適宜選用[5]。所以，最終確定方案二為本項目的最終施工方案。

3.2 供水管道水力計算

3.2.1 管徑確定

管徑是輸水管道最為重要的參數之一，決定了供水能力、工程成本等，本項目采用經濟流速法確定管徑d，計算公式見式(2)[6]。經計算，選用內徑600mmPCCP管和球墨鑄鐵管即可，承壓范圍0.6～2.0MPa。

(2)

式中，Q—單管流量，m3/s；v—經濟流速，1.0～3.0m/s；

3.2.2 管道沿程水頭損失

管道沿程水頭損失是由于水流與管道內壁摩擦而消耗的機械能。當沿程水頭損失較大時，會直接影響單位時間輸水量。沿程水頭損失hf計算公式見式(3)，經計算其范圍在0.0～0.32m，能夠保證流速在1.3m/s，因此本項目不用中途設泵站加壓。

(3)

式中，L—管長，m；Q—單管流量，m3/s；m—流量指數；f—管道摩阻系數；d—管道內徑，m；b—管徑指數。

3.3 球墨鑄鐵管連接要點分析

球墨鑄鐵管連接是本工程的施工重難點，在此對其連接要點進行詳細說明分析。

3.3.1 密封膠圈安裝

將T型承口工作面槽內雜物清理干凈，檢查另一支管插口和膠圈要保持干凈。將膠圈裝入承口凹槽(DN800以下把膠圈捏成8字型；DN800以上膠圈捏成三等分或梅花形)，給膠圈內表面和插口接觸面涂以潤滑油，如圖1所示。

圖1 密封膠圈安裝示意圖

3.3.2 管道連接

第一支管下溝槽時承口順著水流方向，管徑d>400mm時，采用專用設備吊入溝底。之后利用管用鋼絲繩和導鏈拉入承口。在此注意：裝配內外涂絕緣與環氧陶瓷管，繩索應套膠管，包括鉤頭、導鏈用橡膠保護，以免外壁碰傷，如圖2所示。

圖2 管道連接示意圖

3.3.3 檢查膠圈密封性

在連接完成后，需要對膠圈位置、密封性進行檢查。在此利用一把薄窄鋼尺，繞著插口90°四點檢查膠圈壓縮比(如圖3所示)，本項目設計該值范圍在0.4～0.6。經檢查，接口膠圈合格率達到100%。

圖3 膠圈壓縮比檢查示意圖

4 結語

輸水管道的鋪設對于呼圖壁縣化工工業園區的發展擴大意義重大，管道工程完成后，可解決2030年前工業園的用水矛盾，取得了較好的經濟和社會效益。在設計輸水管道工程時，應緊密結合工程實際條件，本項目根據地質條件不同將工程分為2段，前半段用PCCP管，后半段用球墨鑄鐵管，在滿足使用要求的前提下節省了成本，做到了因地制宜。