大興支線工程管道管材比選及相關(guān)參數(shù)確定

張志偉，劉玉忠，王圣文，何奇峰，馮克義，楊進(jìn)新

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100048）

1 概 述

南水北調(diào)中線大興支線工程主要連通北京南干渠與河北廊涿干渠，通過(guò)調(diào)節(jié)池及加壓泵站，實(shí)現(xiàn)供水線路雙向輸水，為規(guī)劃新機(jī)場(chǎng)水廠提供雙水源通道，同時(shí)亦為北京市增加一條南水北調(diào)中線水進(jìn)京通道，每年可增加進(jìn)京水量1.0億～1.5億m3，在近期河北省用水需求暫時(shí)達(dá)不到規(guī)劃水量的情況下，可以通過(guò)向北京輸水，進(jìn)一步發(fā)揮南水北調(diào)中線工程效益。

大興支線工程將承擔(dān)連通北京市與河北省南水北調(diào)配套工程的任務(wù)，提高兩地供水保證率，工程運(yùn)行分為正向及反向輸水，正向輸水方式為自流輸水，輸水流量為6.1 m3/s，即南干渠及廊涿干渠水源通過(guò)大興支線以自流方式輸送至新建調(diào)節(jié)池，再經(jīng)新機(jī)場(chǎng)連接線管道輸送至新機(jī)場(chǎng)水廠；反向輸水方式為泵站加壓輸水，輸水流量為4.0 m3/s，工作壓力為0.5 MPa，即當(dāng)南干渠及廊涿干渠有一方出現(xiàn)事故檢修情況時(shí)，另一方以泵站加壓方式輸送水作為應(yīng)急保障水，使北京市與河北省的南水北調(diào)水互保互通。綜合兩種輸水方式，該工程主要有9種運(yùn)行工況[1]。大興支線工程示意見(jiàn)圖1。

圖1 大興支線工程示意

2 管道水力計(jì)算及管徑確定

南干渠至調(diào)節(jié)池及廊涿干渠至調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)為重力流輸水，根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50013—2006），輸水干管不宜少于2條，當(dāng)有安全貯水池或其他安全供水措施時(shí)，也可修建1條[2]。鑒于大興支線輸水管道距離較長(zhǎng)，建設(shè)2條管道的投資較大，其作為新機(jī)場(chǎng)水廠供水雙水源通道，單管方案工程費(fèi)用及拆遷占地費(fèi)用較低等，最終確定供水方案采用單管，這對(duì)管道輸水保證率提出了更高的要求。

管道的總水頭損失計(jì)算公式為

式中：hz為管道總水頭損失，m；hf為管道沿程水頭損失，m；hj為管道局部水頭損失，m。

沿程水頭損失hf的計(jì)算采用達(dá)西公式[3]3：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，由謝才公式求得；l為計(jì)算管段長(zhǎng)度，m；v為流速，m/s；D 為管道內(nèi)徑，m；g為重力加速度，m/s2。

局部水頭損失hj計(jì)算公式[3]9為

式中：ξ為局部水頭損失系數(shù)。

根據(jù)南干渠高家堡分水口低運(yùn)行水位，北京市南水北調(diào)系統(tǒng)正常供水運(yùn)行條件下，設(shè)計(jì)工況可利用水頭為16.82 m，南干渠—加壓泵站段管道水力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 南干渠—加壓泵站段管道水力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，在輸水流量（Q=6.1 m3/s）一定的條件下，輸水管道總水頭損失與管道糙率成正比，與管道直徑成反比，鑒于設(shè)計(jì)工況可利用水頭為16.82 m，考慮管道末端出口留有1.0 m左右的富裕水頭，則水頭損失最大限度不能超過(guò)15.82 m，當(dāng)然水頭損失也不能過(guò)小，過(guò)小會(huì)造成末端剩余水頭數(shù)值增大，造成能量浪費(fèi)，工程投資增大，因此應(yīng)盡可能選擇與最大水頭損失相當(dāng)?shù)墓艿啦诼始肮軓浇M合。通過(guò)分析得出，選擇糙率為0.011～0.012、直徑為2.40 m的輸水管道作為該工程管材選取的控制參數(shù)能滿足工程需要。

3 管材比選

輸水工程中，管道管材的選擇應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、重要性、水質(zhì)狀況、系統(tǒng)布置、管道口徑、工作壓力、管道埋深、地形地質(zhì)情況、施工條件、工期要求及管道生產(chǎn)和運(yùn)輸條件，結(jié)合運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較后確定；應(yīng)盡可能選擇技術(shù)成熟、抗腐蝕性及耐久性能強(qiáng)的管材。另外，需要考慮事故工況水錘壓力對(duì)管道的影響，根據(jù)工程實(shí)際情況選擇適合的管材[4]。管材應(yīng)具備抗?jié)B性好、水力條件好、抵抗內(nèi)外壓能力強(qiáng)、施工易控制、安裝運(yùn)輸方便、后期運(yùn)行管理方便、建設(shè)成本低等特點(diǎn)。

大興支線工程管道沿新鳳河向西至永定河灌渠，沿永定河灌渠向南至辛莊村南，在辛莊村南向西穿永定河左堤至北京市與河北省交界，北京段全長(zhǎng)約33.4 km，管道需沿永定河灌渠渠底敷設(shè)，所處環(huán)境較為特殊，穿越現(xiàn)狀跨河建筑物30余座，管道大部分采用明挖施工。局部穿越現(xiàn)狀跨河建筑物處采用非開(kāi)挖頂管工法施工。鑒于工程的特殊性，對(duì)輸水管道管材的要求較高，根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)管材生產(chǎn)及運(yùn)用實(shí)際情況，選擇普通鋼管、涂塑復(fù)合鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管4種管材進(jìn)行比選。

綜上所述，第2代320排螺旋CT掃描技術(shù)采用AIDR-3D算法，聯(lián)合應(yīng)用自動(dòng)曝光控制技術(shù)，球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.3 s，在不影響肝灌注參數(shù)HAF、PVF、PI值的情況下，輻射劑量較第1代320排螺旋CT機(jī)明顯降低。此外，兩者HAF、PVF、PI值相似說(shuō)明其聯(lián)合應(yīng)用不影響肝臟腫瘤的隨訪觀察。

3.1 普通鋼管

普通鋼管是目前大口徑埋地管道中運(yùn)用最為廣泛的管材，國(guó)內(nèi)常用最大鋼管直徑達(dá)4 000 mm，焊管形式有螺旋縫埋弧焊管和直縫埋弧焊管，其承受內(nèi)壓能力極好，制作和焊接技術(shù)已相當(dāng)成熟。鋼管在施工上很方便，易與任何管材銜接，在地形復(fù)雜的地段還可采用頂管工法進(jìn)行施工。但鋼管自身剛度小、易變形、抗腐蝕性差，管道內(nèi)外均須進(jìn)行除銹和防腐處理，管材價(jià)格較貴，且焊口及焊口防腐需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，施工時(shí)組合焊接工作量大，施工質(zhì)量難以保證。

3.2 涂塑復(fù)合鋼管

涂塑復(fù)合鋼管是以鋼管為基管，在其內(nèi)表面熔融涂敷一層防腐層，在其外表面涂敷塑料層或其他材料防腐層的鋼塑復(fù)合產(chǎn)品。涂塑鋼管是國(guó)內(nèi)新發(fā)展的一種管道材料，整合了鋼管和塑料產(chǎn)品的共同優(yōu)點(diǎn)。它不僅具有鋼管的高強(qiáng)度、易連接、耐水流沖擊等優(yōu)點(diǎn)，還克服了鋼管遇水易腐蝕、結(jié)垢及塑料管強(qiáng)度不高、消防性能差等缺點(diǎn)。但涂塑復(fù)合鋼管具有與鋼管相同的問(wèn)題，其焊口及焊口防腐需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，采用熱縮套，受天氣影響較大，質(zhì)量不好控制。

3.3 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管原材料資源豐富，并可再生利用，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響，具有高強(qiáng)度、高延伸率、硬度低、經(jīng)濟(jì)可靠、耐腐蝕、壽命較長(zhǎng)等特點(diǎn)，近些年被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)的供水、輸氣工程中。球墨鑄鐵管大部分采用柔性接口，接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性較好，承口考慮了橡膠圈的定位和偏轉(zhuǎn)角問(wèn)題，能適應(yīng)一定的基礎(chǔ)變形，具有一定的抗震能力。另外，利用其偏轉(zhuǎn)角可實(shí)現(xiàn)管線長(zhǎng)距離轉(zhuǎn)向[5]。按壁厚級(jí)別系數(shù)K取值的不同，球墨鑄鐵管標(biāo)準(zhǔn)壁厚分為K8級(jí)、K9級(jí)、K10級(jí)、K12級(jí)。球墨鑄鐵管外壁采用噴涂瀝青或噴鋅防腐，內(nèi)壁襯水泥砂漿防腐。管材為工廠直接生產(chǎn)、運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)施工，現(xiàn)場(chǎng)安裝效率高，節(jié)省工期。主要缺點(diǎn)是價(jià)格較高。

3.4 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管簡(jiǎn)稱PCCP，PCCP使用經(jīng)水壓檢驗(yàn)的鋼筒，兼具鋼材的抗拉、抗?jié)B及混凝土的抗壓、耐腐蝕性優(yōu)點(diǎn)，所以能承受較高的內(nèi)壓和外荷載；承插口安裝快捷、方便，接頭密封性能好；耐腐蝕性高，對(duì)地基的適應(yīng)性好，抗震性好；內(nèi)壁光滑，不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生二次污染，輸水性能好；安裝方便，綜合造價(jià)低，在滿足抗?jié)B性要求的前提下，其單位工程造價(jià)較低。但PCCP制造工序多，是鋼板、混凝土、高強(qiáng)鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品制造質(zhì)量控制困難，修復(fù)工藝復(fù)雜；在高內(nèi)水壓力作用下預(yù)應(yīng)力鋼絲易斷絲，不易維護(hù)[6]。

綜上，對(duì)普通鋼管、涂塑復(fù)合鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管分明挖工法及非開(kāi)挖頂管工法兩種情況進(jìn)行了比較，見(jiàn)表2、表3。

3.5 常用管材經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

對(duì)符合要求的管道進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比，管材單價(jià)通過(guò)廠家詢價(jià)及市場(chǎng)報(bào)價(jià)綜合對(duì)比確定。可知，明挖工法管材在相同管徑條件下鋼管與涂塑復(fù)合鋼管價(jià)格相當(dāng)，較PCCP價(jià)格高，相比之下球墨鑄鐵管價(jià)格最高；非開(kāi)挖頂管工法管材在相同管徑條件下鋼管價(jià)格最低，PCCP次之，頂進(jìn)用球墨鑄鐵管道價(jià)格最高。

表2 明挖工法管材對(duì)比

表3 非開(kāi)挖頂管工法管材對(duì)比

4 管材及相關(guān)參數(shù)確定

4.1 管材確定

直徑1 600～2 600 mm范圍內(nèi)管材明挖鋪設(shè)PCCP管道可承受較大的內(nèi)外荷載，具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，但工藝復(fù)雜，制造質(zhì)量難以控制；涂塑復(fù)合鋼管較傳統(tǒng)鋼管在防腐、糙率和使用壽命上有較大優(yōu)勢(shì)，價(jià)格相差不多，且涂塑復(fù)合鋼管力學(xué)性能最優(yōu)、糙率低、不易結(jié)垢；球墨鑄鐵管安裝方便，抗外壓能力強(qiáng)，價(jià)格稍高。

根據(jù)該工程特點(diǎn)，鑒于供水對(duì)象重要、管線輸水距離長(zhǎng)、供水保證率要求高、通水工期緊，經(jīng)多工況比選，自流及泵站加壓相結(jié)合，南干渠與廊涿干渠連通管道采用單管方案，選擇直徑2 400 mm的球墨鑄鐵管作為該工程的管材，雖然管材價(jià)格較高，但工程的耐久性好、使用壽命長(zhǎng)，適用于明挖、頂管等施工工藝，施工方便快捷，運(yùn)行管理費(fèi)用低。

4.2 管道內(nèi)外防腐確定

球墨鑄鐵管常規(guī)內(nèi)防腐為水泥砂漿內(nèi)襯[7]，直徑2 400 mm的球墨鑄鐵管水泥砂漿內(nèi)襯公稱厚度為12 mm，水泥砂漿內(nèi)襯糙率較大，易對(duì)輸送水質(zhì)造成污染，在此條件下對(duì)內(nèi)防腐形式進(jìn)行了改進(jìn)，水泥砂漿內(nèi)襯表面噴涂一層水性環(huán)氧涂料，固化而成環(huán)氧密封層，涂料為無(wú)毒的，不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生任何有害的影響，達(dá)到了飲水級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后內(nèi)襯具有優(yōu)異的防腐性能，并能保證輸送水質(zhì)不受污染，結(jié)合了主動(dòng)防腐與被動(dòng)防腐的綜合性能，具有長(zhǎng)久的抗腐蝕能力。

水泥砂漿內(nèi)襯及水泥砂漿內(nèi)襯環(huán)氧密封層水力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4[8]，結(jié)合工程實(shí)際情況，考慮彎頭及三通等管件的影響，直徑2 400 mm的球墨鑄鐵管水泥砂漿內(nèi)襯環(huán)氧密封層糙率取值為0.012。

表4 水泥砂漿內(nèi)襯及水泥砂漿內(nèi)襯環(huán)氧密封層水力試驗(yàn)結(jié)果

球墨鑄鐵管外防腐采用鋅層+瀝青保護(hù)層。噴鋅層平均不小于200 g/m2，外層采用瀝青保護(hù)層，選用的填料對(duì)涂層的耐腐蝕性能無(wú)有害影響，平均厚度不小于 70 μm。

4.3 接口型式確定

球墨鑄鐵管接口型式主要有滑入式、機(jī)械式、法蘭式等，該工程采用了滑入式T型接口及機(jī)械式K2型接口。機(jī)械式K2型是近年新出現(xiàn)的接口型式，該接口型式與常規(guī)接口型式相比具有不需要將管道挖開(kāi)，直接在管道內(nèi)部就可以更換橡膠圈的性能，免去了后期運(yùn)行管理的麻煩。K2型接口主要由橡膠圈、組合圈、壓圈、螺栓、墊棒組成。

4.4 管道級(jí)別確定

依據(jù)《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS142：2002）中球墨鑄鐵管管道的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定計(jì)算公式[9]，經(jīng)試算，采用K10級(jí)球墨鑄鐵管，當(dāng)管頂外荷載（水重及土重）相當(dāng)于4.0 m厚覆土壓力時(shí)，管道變形滿足規(guī)范要求。

通過(guò)計(jì)算分析，考慮地面堆積荷載，管道明挖段覆土設(shè)計(jì)按2.0～2.5 m厚控制，局部不足部位采用包封保護(hù)，能滿足管道強(qiáng)度及剛度要求。由此得出，大興支線采用1-DN2400mmK10級(jí)球墨鑄鐵管能夠滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)工程特點(diǎn)及特殊性，結(jié)合工期、技術(shù)可行及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)綜合考慮后選擇1-DN2400mmK10級(jí)球墨鑄鐵管作為大興支線工程的管材。先期施工1 km長(zhǎng)管道作為試驗(yàn)段，驗(yàn)證工程效果。2017年5月，大興支線工程試驗(yàn)段完工并通過(guò)驗(yàn)收，施工期內(nèi)采用明挖、頂管等施工工藝，施工方便快捷；運(yùn)行至今經(jīng)歷了外部地面載荷等考驗(yàn)，一直運(yùn)行良好，實(shí)踐證明工程設(shè)計(jì)是成功的。直徑2 400 mm的球墨鑄鐵管在北京市南水北調(diào)配套工程大興支線工程中的使用填補(bǔ)了大口徑球墨鑄鐵管在長(zhǎng)距離輸水工程應(yīng)用的空缺，提高了大口徑長(zhǎng)距離輸水管道的技術(shù)與設(shè)計(jì)水平。