李 玉

（廣西桂禹工程咨詢有限公司，南寧 530023）

1 工程概況

田陽縣露美高效節水灌溉工程項目（以下簡稱露美項目）位于田陽縣寶美到新立縣級公路兩側區域，呈西北向東南方向狹長帶分布，西北端起自那坡鎮寶美村隴馱屯，東南端至那滿鎮新立村興隆屯，長約18 km，涉及到那坡鎮寶美村、合力村及六合村的馱亮屯，那滿鎮露美村及新立村忑隴屯、下果屯、興隆屯，項目區可耕種面積約1.06 萬畝。工程分兩期實施，其中一期工程實施范圍為那滿鎮露美村及新立村忑隴屯、下果屯、興隆屯，設計灌溉面積2700 畝；二期工程實施范圍為那坡鎮寶美村、合力村耕地及六合村部分果園，以及那滿鎮露美村、新立村果園，總規劃面積7900畝。

露美高效節水灌溉工程一期工程已建成通水，設計灌溉面積為2700 畝，分布在叫眼屯、露美村及新立村附近，水源取自地下暗河，為工程補充水源，設計流量0.11 m3/s，修建抽水泵站1座，經泵站抽水到高位水池（300 m3）后進行自流灌溉，敷設27.15 km輸配水管道。

露美高效節水灌溉工程二期工程設計灌溉面積7900畝，包括3645畝經濟作物與4255畝果園，灌溉方式為管灌。工程由水源工程、輸配水系統及田間管網組成，水源工程為新建寶美電灌站，設計流量0.34 m3/s，裝機3臺，裝機容量785 kW。輸水系統由泵站分別輸水到1#、2#水池組成，1#水池控制灌溉面積700 畝，2#水池控制灌溉面積7200 畝，包括一期的灌溉范圍。由1#、2#水池自流向田間供水，經濟作物配置田間管網，由15 個灌水系統組成，每個灌溉系統內按6 畝配置一個給水栓，每個給水栓安裝IC卡水表，由用戶預付費后再由給水栓接軟管自行澆水。果園根據實際情況設置8座300 m3的高位水池，再配置一定數量的地頭水柜，由用戶從高位水池或地頭水柜自行取水進行灌溉。

2 主管路工程設計

2.1 主管路比選

主管路從電灌站到2#水池及2#、3#水池后的配水干管管徑為500～600 mm，總長度9 km，管材造價對總造價影響很大，因此對這一段管路進行管材選擇，用鋼管、PE 管、預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP）進行比選。管材比對見表1。

管材鋼管管材性能耐腐蝕性差，需要防銹，安裝方便PE管耐腐蝕，壽命長，安裝方便預應力鋼筒混凝土管（PCCP）耐腐蝕，壽命長，安裝要求高造價750元/m（DN610×8）1563元/m（DN630 1.0 MPa）672元/m（DN720 1.0 MPa）

主干管采用3個方案進行比較：

方案一：采用原設計方案，主管路均采用PCCP管。

方案二：部分地形較陡管段，采用鋼管，其余管段均采用PCCP。

方案三：主管路全部改為鋼管。

2.2 設計方案選擇

2.2.1 方案一：PCCP管方案，即采用原設計的方案

（1）從右江邊的寶美電灌站—1#水池935 m 輸水管路中：從抽水泵站—岸上公路的長度為L1=292 m，由于地形較陡，采用埋地DN200 鍍鋅鋼管（壁厚6.5 mm）；從岸上公路—1#水池依次采用埋地DN225 的PE100 管（PN0.8 MPa）200 m 和DN225 的PE100管（PN0.6 MPa）443 m，共計935 m。

（2）寶美電灌站-2#水池輸水管路全線采用埋地DN720 PCCP 管，總長1205 m，管道規格依次為2 MPa（L1=131 m）、1.6 MPa（L2=271 m）、1.2 MPa（L3=803）。

（3）2#、3#水池后的輸水管路全線采用PCCP管，總長7607 m，其中管道規格分為兩段：第一段0.8 MPa，長4821 m，DN720；第二段1.0 MPa，長2786 m，DN500。

2.2.2 方案二：PCCP管為主+部分鋼管的方案

（1）對右江邊的寶美電灌站—1#水池的管線進行局部調整，由935 m 調整為919 m，整個管線采用明設DN244.5焊接鋼管（壁厚6 mm）。

（2）對右江邊的寶美電灌站—2#水池輸水管路進行局部調整，由1205 m 調整為1192 m：對從抽水泵站～岸上公路的長度為L1=120 m管段，由于地形較陡，采用明設DN610 焊接鋼管（壁厚11 mm）；從岸上公路—2#水池山腳的沿公路邊布置的長度為L2=952 m 管段，采用敷設DN720 PCCP 管（其中前270 m 管段壓力等級為1.6 MPa、后682 m 壓力等級為1.2 MPa）；從2#水池山腳—山頂2#水池的管段地形較陡，上水管道長度為L3=120 m，采用DN610 明設焊接鋼管（壁厚9 mm）；3段管道合計1192 m。

（3）2#、3#水池后的輸水管路總長度為7607 m，對地形較陡的長度為L=158 m段，采用壁厚7 mm鋼管；其余處于地形較為平緩的L=7449 m 管段，采用DN720 PCCP 管，其中有4663 m 的管段壓力等級為0.8 MPa，另有2786 m長的管段壓力等級為1.0 MPa。

2.2.3 方案三：主管路全部為鋼管的方案。

（1）寶美電灌站—1#水池輸水管路全線采用DN244.5明設焊接鋼管（壁厚6 mm），全長919 m。

（2）寶美電灌站—2#水池輸水管路全線采用DN610 明設焊接鋼管，全長1192 m。L1=120 m 管段，采用明設DN610 焊接鋼管（壁厚11 mm）；L2=952 m 管段，采用明設DN610 焊接鋼管（壁厚10 mm）；L3=120 m，采用明設DN610 焊接鋼管（壁厚9 mm）。

（3）2#、3#水池后的輸水管路采用焊接鋼管（壁厚7 mm），全長7607 m，其中管道規格分為3 段：第一段為1.0 MPa，長3788 m，DN610；第二段為1.0 MPa，長1033 m，DN559；第三段為1.0 MPa，長2786 m，DN457。

2.3 管道水力計算

2.3.1 水頭損失計算

（1）鋼管PCCP管的水力計算，采用下式：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；Q 為管道設計流量，m3/s；L 為管道長度，m；K 為流量模數，m3/s；A 為過水斷面面積，m2；R 為水力半徑，m，圓管為d/4；C為謝才系數；n為粗糙率。

（2）對于PE管，沿程水頭損失按下式計算：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；Q 為管道設計流量，L/h；f 為摩阻系數，PE 管為0.505，PVC-U 管為0.464；b 為管徑指數，PE 管為4.75，PVC-U 管為4.77；m為流量系數，PE管為1.75，PVC-U管為1.77；L為管道計算長度，m；d為管道內徑，mm。

局部水頭損失均按沿程水頭損失的0.15倍計。總水頭損失為沿程水頭損失加上沿程水頭損失。

方案一寶美電灌站—1#水池輸水管路水力計算表見表2、表3，方案二、三寶美電灌站—1#水池輸水管路水力計算表見表4。

管材管長L/m流量Q/（m3/s）內徑d/（mm）糙率n 流速/（m/s）沿程損失/m總損失/m鍍鋅鋼管292 0.032 200 0.012 1.02 2.37 2.73

管材PE（PN0.8）PE（PN0.6）合計管長L/m 200 443流量Q/（m3/s）0.032 0.032外徑/mm 225 225壁厚/mm 10.8 8.6內徑d/mm 203.4 207.8流速v/（m/s）0.98 0.94沿程損失hf/m 0.79 1.57總損失h/m 0.90 1.81 2.71

管材焊接鋼管管長L/m 919流量Q/（m3/s）0.032外徑/mm 244.5壁厚/mm 6內徑d/mm 232.5糙率n 0.012流速v/（m/s）0.75沿程損失hf/m 3.34總損失/m 3.84

從表2～4 可以看出，方案一的總水頭損失為5.44 m，方案二、三比方案一的寶美電灌站—1#水池輸水管路總水頭損失均減少1.6 m。根據規范《焊接鋼管尺寸及單位長度重量》（GB/T21835-2008），若方案二、三焊接鋼管選擇外徑小于244.5 mm中的最大外徑219.1 mm，壁厚5 mm 時，總水頭損失為6.77 m，比方案一增加1.33 m，不能滿足工程要求。因此確定方案二、三的焊接鋼管外徑為244.5 mm，壁厚6 mm，滿足工程要求。

方案一～三寶美電灌站—2#水池輸水管路水力計算表見表5。

方案方案一方案二流量Q/（m3/s）0.305 0.305 0.305 0.305外徑/mm 720 610 720 610壁厚/mm 60 11 60 9內徑d/mm 600 588 600 592糙率n 0.014 0.012 0.014 0.012流速v/（m/s）1.08 1.12 1.08 1.11流量模數/（m2/s）5.70 6.30 5.70 6.41方案三管材PCCP管焊接鋼管PCCP管焊接鋼管合計焊接鋼管焊接鋼管焊接鋼管合計管長L/m 1205 120 952 120 1192 120 952 120 1192 0.305 0.305 0.305 610 610 610 11 10 9 588 590 592 0.012 0.012 0.012 1.12 1.12 1.11 6.30 6.36 6.41沿程損失hf/m 3.45 0.28 0.77 0.27 3.28 0.28 2.19 0.27 2.74總損失/m 4.17 0.32 3.14 0.31 3.77 0.32 2.52 0.31 3.15

從表5可以看出，方案一～三的總水頭損失分別為4.17、3.77、3.15 m。方案二、三比方案一的寶美電灌站—2#水池輸水管路總水頭損失分別減少0.40、1.02 m。

根據規范《焊接鋼管尺寸及單位長度重量》（GB/T21835-2008），若方案二焊接鋼管選擇外徑小于610 mm 中的最大外徑559 mm，壁厚分別為11、9 mm 時，管路總水頭損失為4.17 m，與方案一相同；若方案三焊接鋼管選擇外徑小于610 mm中的最大外徑559 mm，相應壁厚分別為11、10、9 mm時，總水頭損失為5.11 m，比方案一增加0.94 m，不能滿足工程要求。綜合考慮，方案二、三選擇焊接鋼管的外徑為610 mm，滿足工程要求。

2.3.2 水錘分析

直接水錘的公式按下式計算：

對于鋼管、PCCP管，按下式計算：

式中：△H 為直接水錘的壓力水頭增加值，m；aw為水錘波傳播速度，m/s；△v為管中流速變化值，為初流速減去末流速（m/s）；d為管道內徑，m；e為管壁厚度，mm；K 為水的體積彈性模數（GPa），常溫時為2.025 GPa；E 為 管 材 縱 向 彈 性 模 量，PCCP 管 取20.58 GPa，鋼管取206 GPa；c為管材系數，PCCP管c=1（/1+9.5 a0），鋼管c=1；a0為管壁環向含鋼系數，a0＝f/e；f為每米長管壁內環向鋼筋的斷面面積，m2。

寶美電灌站—1#水池輸水管路、寶美電灌站—2#水池輸水管路水錘計算成果表分別見表6、表7。

編號方案一方案二方案三管材壓力等級/（MPa）鍍鋅鋼管焊接鋼管焊接鋼管2 2 2外徑/m 0.2 191 0.2 445 0.2 445內徑d/m 0.2 061 0.2 325 0.2 325管壁厚度e/m 0.0 065 0.006 0.006管材系數c 1.00 1.00 1.00水錘波傳播速度aw/（m/s）1244 1213 1213流速△v/（m/s）1.02 0.75 0.75水錘壓力△H/m 129 93 93

編號方案一方案二方案三管材PCCP管PCCP管PCCP管焊接鋼管PCCP管PCCP管焊接鋼管焊接鋼管焊接鋼管焊接鋼管壓力等級（MPa）2.0 1.6 1.2 3.0 1.6 1.2 3.0 3.0 3.0 3.0管長/m 131 271 803 120 270 682 120 120 952 120外徑/m 0.72 0.72 0.72 0.61 0.72 0.72 0.61 0.61 0.61 0.61內徑d/m 0.600 0.600 0.600 0.588 0.600 0.600 0.592 0.588 0.590 0.592管壁厚度e/m 0.060 0.060 0.060 0.011 0.060 0.060 0.009 0.011 0.010 0.009管材系數c 0.75 0.80 0.85 1.00 0.80 0.85 1.00 1.00 1.00 1.00水錘波傳播速度aw/（m/s）1081 1066 1052 1154 1066 1052 1111 1154 1134 1111流量/（m3/s）0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305 0.305流速△v/（m/s）1.079 1.079 1.079 1.124 1.079 1.079 1.109 1.124 1.116 1.109水錘壓力△H/m 119 117 116 132 117 116 125 132 129 125

當計入水錘后的管道工作壓力超過試驗壓力時，應采取水錘防護措施。寶美電灌站—1#水池輸水管路、寶美電灌站—2#水池輸水管路水錘驗算結果分別見表8、表9。

方案編號方案一方案二方案三管材鍍鋅鋼管焊接鋼管焊接鋼管內徑/mm 206.1 230.3 230.3工作壓力/MPa 0.97 0.97 0.97壓力等級/MPa 2.0 2.0 2.0試驗壓力/MPa 1.47 1.47 1.47水錘壓力/MPa 1.29 0.93 0.93總壓力/MPa 2.26 1.90 1.90結果比較2.26 ＞1.47 1.9＞1.47 1.9＞1.47不滿足不滿足不滿足

方案編號方案一方案二方案三管材PCCP管PCCP管PCCP管焊接鋼管PCCP管PCCP管焊接鋼管焊接鋼管焊接鋼管焊接鋼管內徑/mm 600 600 600 588 600 600 592 588 590 592工作壓力/MPa 1.30 0.77 0.57 1.30 0.89 0.67 0.53 1.30 0.89 0.53壓力等級/MPa 2.0 1.6 1.2 3.0 1.6 1.2 3.0 3.0 3.0 3.0試驗壓力/MPa 1.60 1.07 0.87 1.80 1.19 0.97 1.03 1.80 1.39 1.03水錘壓力/MPa 1.19 1.17 1.16 1.32 1.17 1.16 1.25 1.32 1.29 1.25總壓力/MPa 2.49 1.94 1.73 2.62 2.06 1.83 1.78 2.62 2.18 1.78結果比較2.49 ＞1.6 1.94 ＞1.07 1.73 ＞0.87 2.62 ＞1.8 2.06 ＞1.19 1.83 ＞0.97 1.78 ＞1.03 2.62 ＞1.8 2.18 ＞1.39 1.78 ＞1.03不滿足不滿足不滿足不滿足不滿足不滿足不滿足不滿足不滿足不滿足

從表9、10可看出，對PCCP管、鋼管計入水錘后的壓力大于管道的試驗壓力，不能滿足設計要求。為安全防護考慮，管路水泵出口安裝緩閉止回閥，關閥歷時大于30 s。安裝緩閉止回閥后，以PCCP管為例水錘計算如下：

設定止回閥關閥歷時Ts=30 s。相長Tr=2l/aw=2×1205/1067=2.26 s，Tr＜Ts，因此，按間接水錘計算。管道特征系數μ=awv/2gH0=1067×1.08/（2×9.81×130）=0.452。水擊常數σ＝vl/gH0Ts=1.08×1205/（9.81×130×30）=0.034。最大水擊發生在首相末，首相末相對開度為：τ1=1-2.26/30=0.925

最大水擊壓強水頭為△H =ξH0=0.049×130=6.4 m。

同理可計算鋼管的水擊壓強為7.2 m。

輸水管路安裝緩閉止回閥后水錘驗算表見表10。

管道焊接鋼管鍍鋅管焊接鋼管PCCP管焊接鋼管管長/m 919 292 1192 1205 1165流速V/（m/s）0.750 1.020 1.318 1.079 0.840水錘波傳播速度aw/(m/s）1241 1244 1104 1067 1198相長Tr/s 1.92 0.47 2.16 2.26 1.95關閥歷時Ts/s 30 30 30 30 30工作壓力H0/m 93 93 130 130 100特征系數μ 0.523 0.695 0.570 0.452 0.513水擊常數σ 0.033 0.011 0.041 0.034 0.033首相末相對開度τ1 0.936 0.984 0.928 0.925 0.935相對壓強ξ 0.055 0.016 0.055 0.049 0.055水擊壓強ΔH/m 5.1 1.5 7.2 6.4 5.5

從表10 中可看出，安裝緩閉止回閥后，緩閉時間30 s，水錘可基本消除。

2.4 鋼管壁厚設計

鋼管壁厚計算采用公式:

式中：δ為鋼管壁厚，mm；Hj為計算水頭，為設計水頭與水錘壓力之和，m；D為鋼管管徑，mm；φ為焊縫系數，雙面對接焊0.95，單面對接焊0.9；[σ]c為鋼管許用應力，kgf/cm3，（1 kgf/cm3=98 kPa），荷載僅考慮內水壓力時，取0.75[σ]，4.5～16 mm 厚Q235-C 鋼板，在溫度≤20℃環境下，許用應力為125 MPa。

鋼管壁厚計算結果見表11。

工作水頭H1/m 97 130 89 53水擊增壓△H/m 93 132 129 125計算水頭Hj/m 190 262 218 178鋼管內徑d/mm 232.5 588.0 590.0 592.0卷焊系數0.9 0.9 0.9 0.9許用應力[σ]c/（kgf/cm3）956.6 956.6 956.6 956.6計算壁厚δ/mm 2.6 9.0 7.5 6.1銹蝕厚度/mm 2222鋼管壁厚/mm 6 11 10 9

2.5 各方案投資

根據統計的工程量計算投資（見表12）。

編號一12二三12工程或費用名稱建筑工程管道工程閥門井機電設備及安裝工程金屬結構設備及安裝工程閥門設備管道工程方案一（鋼筒管）120.29 112.06 8.23方案二（鋼管+鋼筒管）115.81 107.49 8.32方案三（鋼管）47.43 44.48 2.95投資合計659.45 5.34 654.11 779.74 667.12 5.16 661.96 782.93 748.60 6.23 742.37 796.03

2.6 管道設計成果

根據計算結果，3個方案優缺點見表13。

方案編號管材方案一PCCP管方案二鋼管+PCCP管方案三鋼管優點安全可靠，耐久性好，抗外壓性能好，無須防腐，價格較低，使用壽命50年以上介于方案一與方案三之間重量較輕，安裝方便，施工技術容易掌握，施工期短，運行維護方便缺點重量較重，施工期較長，安裝要求高運行維護檢修時間長，投資較少介于方案一與方案三之間抗外壓性能差，耐久性差，使用壽命一般為20年，防腐較困難，投資稍多

綜合比較3個方案的優缺點，同時為了方便施工、加快施工進度，根據業主的要求，推薦采用方案三。

3 結語

本設計從施工條件、工程量、投資、管材等方面進行比較，在滿足主體設計功能的前提下，最終選擇鋼管為輸水管材。

目前該工程已經投入使用，運行良好。