薩呼騰水庫輸水管道選型設(shè)計

石盼盼，趙 彪

（中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

1 工程概況

薩呼騰水庫位于青海省雜多縣境內(nèi)的吉乃溝處,為一注入式水庫,建設(shè)任務(wù)主要為雜多縣薩呼騰鎮(zhèn)4.85 萬人生活用水,同時為雜多縣周邊8000畝林地提供灌溉水源,水庫總庫容207萬m3,為IV等小（1）型工程。輸水管線沿現(xiàn)吉乃溝向北至水庫,全段長6.1 km,設(shè)計流量0.4 m3/s,跨越河流4處,管道全段采用明挖施工。本工程為重力承壓的輸水方式,管線長6.1 km,管材的選擇對工程投資有較大影響。

2 地形地質(zhì)條件

輸水管線上游段位于吉乃溝侵蝕堆積河谷平原區(qū),地勢較平坦；中游段位于吉乃溝下游左岸山前斜坡帶,地勢由西南向東北傾斜,斜坡帶坡度一般15°～25°；下游段段位于吉乃溝下游左岸溝谷臺地,地勢平坦開闊,由南向東北微傾斜,地面縱坡降20‰～30‰。

擬建輸水線路地基土自上而下分別是①層第四系全新統(tǒng)殘坡積（Q4

el+dl）碎石、②層第四系全新統(tǒng)坡洪積（Q4al+pl）含礫粉質(zhì)黏土、③層第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4al+pl）碎石、④第四系上更新統(tǒng)沖洪積（Q3al+pl）礫石。

3 管徑計算

輸水管徑根據(jù)設(shè)計輸水能力按經(jīng)濟流速進行初步計算。

式中：D為輸水管道管徑,m；Q為輸水管道設(shè)計流量,m3/s；v為輸水管道流速,m/s。

參照《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》（SL 310-2019）7.5.3條,輸配水管道的設(shè)計流速宜采用經(jīng)濟流速,不宜大于2.0 m/s,輸送原水管道的設(shè)計流速不宜小于0.6 m/s。根據(jù)表1管徑計算成果,DN700、DN600、DN500管道設(shè)計流速為0.99 m/s～1.93 m/s,滿足規(guī)范要求。DN700、DN600、DN500剩余水頭分別達151.87 m、142.19 m、112.65 m,輸水管道工作壓力過大,造成管道本身承壓能力要求高,末端接入水庫需考慮消能措施。從經(jīng)濟角度看,DN500 管道流速控制在2 m/s以內(nèi),管徑相對最小,為此初選管徑為DN500。

表1 管徑計算表

4 管道壓力計算

管道允許壓力按照下式計算：

式中：PFA為允許工作壓力,MPa；PMA為最大允許工作壓力,包括沖擊壓,MPa；emin為最小壁厚,emin=e-（1.3+0.001×DN）=7.2 mm；σb為最小抗拉強度；D為管道平均直徑（DE-emin）,DE為管道公稱外徑,mm；SF為安全系數(shù),取3。經(jīng)計算,管道允許工作壓力PFA為3.84 MPa。

4 管材比選

4.1 各種管材綜述

本工程地震設(shè)防烈度為Ⅶ度,管材擬選擇延性較好或具有抗震性能較好的柔性接口的管材,并能保證良好的輸水能力,材質(zhì)無毒,安裝方便,維修簡單,耐磨蝕,使用年限長,造價相對便宜。參考國內(nèi)大型長距離輸水工程大都在涂塑復(fù)合鋼管（SP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP管）、球墨鑄鐵管（DIP）與玻璃鋼管（FRP）、鋼骨架聚乙烯復(fù)合塑料管中選擇。

4.1.1 涂塑復(fù)合鋼管（SP）

涂塑復(fù)合鋼管（SP）是以鋼管為基管,以塑料粉末為涂層材料,在其內(nèi)表面熔融涂敷上一層塑料層、在其外表熔融涂敷上一層塑料或其他材料防腐層的鋼塑復(fù)合產(chǎn)品。

涂塑復(fù)合鋼管克服了鋼管本身存在的易生銹、腐蝕、高污染、及塑料管強度低、易變形的缺陷,整合了鋼管和塑料產(chǎn)品的共同優(yōu)點。涂塑管是在鋼管內(nèi)壁融溶一層厚度為 0.5mm～ 1.0mm 的聚乙烯（PE ）樹脂、乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）、環(huán)氧（EP）粉末、無毒聚丙烯（ PP ）或無毒聚氯乙烯（PVC）等有機物而構(gòu)成的鋼塑復(fù)合型管材,它不但具有鋼管的高強度、易連接、耐水流沖擊等優(yōu)點,還克服了鋼管遇水易腐蝕、污染、結(jié)垢及塑料管強度不高、消防性能差等缺點,設(shè)計壽命可達50 年。主要缺點是安裝時不得進行彎曲,熱加工和電焊切割等作業(yè)時,切割面應(yīng)用生產(chǎn)廠家配有的無毒常溫固化膠涂刷。

4.1.2 球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管是一種在普通鋼管與灰口鑄鐵管基礎(chǔ)上通過升級換代的新產(chǎn)品,具有諸多灰鐵管與焊接鋼管不及的優(yōu)點。球墨鑄鐵管具有較高承壓能力、耐腐蝕、韌性好、抗震性能好的特點；施工費用低,安裝速度快,球墨鑄鐵管安裝工時大約20 min～30 min,能較好的滿足工期的要求；具有良好的防腐性能,使用年限高于50 年；具有良好的撓性和伸縮性,接口為柔性接口,可適應(yīng)不同地基敷設(shè)安裝,能適應(yīng)因地基沉降而產(chǎn)生的壓力,避免管道破裂；密封性好,按照《球墨鑄鐵管施工安裝規(guī)范》安裝完畢后,管道一次試壓成功率100%；球墨鑄鐵管機械性能好,防腐外噴鋅、涂瀝青,對回填土無特殊要求,可使用原土回填。球墨鑄鐵管采用承插式柔性接口,膠圈密封的連接方式,比鋼管現(xiàn)場焊接施工方便可靠。

4.1.3 玻璃鋼管（FRP）

玻璃鋼管的優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度高、承受內(nèi)外荷載能力強,具有良好的抗腐蝕能力,管材和管件加工方便,造價較低；運輸、鋪設(shè)、安裝、試壓方便,施工速度快,但玻璃鋼管剛性較差,受力不均勻時易變形,密封性較差；易受巖土地基中的硬物破壞,耐久性差；特別是大口徑管施工難度大,施工要求的技術(shù)性強,使用后的效果不太理想。

4.1.4 鋼骨架聚乙烯復(fù)合塑料管

鋼骨架聚乙烯復(fù)合塑料管是以高強度鋼絲連續(xù)纏繞成型的芯層為增強骨架,用符合輸送介質(zhì)要求的聚乙烯專用材料均擠出而形成整體管壁的復(fù)合結(jié)構(gòu)壁管材。屬于鋼骨架聚乙烯復(fù)合管管材系列的一個品種。優(yōu)點是耐腐蝕性好,埋地施工無需內(nèi)外防腐；密封性良好,采用電熱熔連接,管材與管件溶為一體,接頭較為可靠；無毒,安全衛(wèi)生；屬于柔性管材,對地基的適應(yīng)性較好；耐磨,耐久性等指標均較高。抗內(nèi)壓能力較好,目前使用內(nèi)壓控制在1.6 MPa以內(nèi),抗外壓能力相對較弱,管頂覆土應(yīng)控制在3 m以內(nèi)。

4.2 管材比選

4.2.1 地質(zhì)條件分析

管線起始為鄰近吉乃溝的匯水池處,至下游水庫處,沿現(xiàn)有道路鋪設(shè),地下水位較高；沿線地下水對混凝土結(jié)構(gòu)均具弱腐蝕性,對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性,對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。同時,沿線地基土對混凝土具微腐蝕性,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性。

工程區(qū)地質(zhì)條件、土層地下水腐蝕性微、弱,對管材選擇沒有制約性。

4.2.2 耐久性及水力條件

本次設(shè)計地埋管道要求設(shè)計合理使用年限不小于50 年,經(jīng)了解,涂塑復(fù)合鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管、鋼骨架聚乙烯復(fù)合塑料管均能滿足50 年使用年限要求。

對于其過水能力,涂塑復(fù)合鋼管海曾-威廉系數(shù)Ch為140～150,玻璃鋼管、鋼骨架聚乙烯復(fù)合塑料管海曾-威廉系數(shù)Ch為140～150,水泥砂漿內(nèi)襯的球墨鑄鐵管海曾-威廉系數(shù)Ch為120～130。為此,相同的設(shè)計流量條件下,玻璃鋼管和鋼骨架PE管過流能力最強,鋼管次之,球墨鑄鐵管較低。

經(jīng)初步水力計算,考慮充分利用水頭壓力,管道末端留少量自由水頭,盡可能選擇與最大水頭損失相當?shù)暮Ｔ?威廉系數(shù)Ch及管徑組合。通過分析得出,本工程應(yīng)選擇海曾-威廉系數(shù)Ch大于110、管徑為DN500的輸水管作為該工程管材選取的控制性參數(shù),以上管材均符合水力計算要求。

4.2.3 抗?jié)B性及地基變形適應(yīng)性

涂塑復(fù)合鋼管接口采用焊接方式, 鋼骨架PE管采用電熔連接,而球墨鑄鐵管、玻璃鋼管采用柔性橡膠墊圈承插口方式連接,接口橡膠墊圈耐久性將直接影響接口防滲性能,且接口數(shù)量較多,存在更多滲漏的可能性。

球墨鑄鐵管、玻璃鋼管和鋼骨架PE管由于接口型式和管材性能,一般適應(yīng)地基變形能力較強。而鋼管為剛性接口,其適應(yīng)地基變形能力較差,會存在局部架空可能。

4.2.4 防腐措施

涂塑復(fù)合鋼管采用PE進行熱浸塑或EP進行內(nèi)外涂覆,具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。鋼骨架PE管主要依靠管道內(nèi)外層的聚乙烯等化學(xué)材料進行防腐；玻璃鋼管主要以玻璃纖維以及高分子成分的不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂等材料制成,這兩種管材充分利用材料的化學(xué)穩(wěn)定性進行內(nèi)外防腐,故不必新增防腐設(shè)計。鑄鐵管由于分節(jié)安裝,每節(jié)間設(shè)有柔性橡膠墊圈,可以有效阻斷電化學(xué)腐蝕。

4.2.5 運輸及施工

鋼骨架PE管及玻璃鋼管管材重量輕,運輸較為方便。涂塑復(fù)合鋼管、球墨鑄鐵管相對管材較重,運輸難度一般。

涂塑復(fù)合鋼管的管配件可工廠生產(chǎn)或現(xiàn)場制作,接口采用就地焊接,不需做管道基礎(chǔ)處理,但管道的接口施工受天氣和地理環(huán)境的制約,施工時管道需剖口、焊接等費時耗序。球墨鑄鐵管、玻璃鋼管配件需工廠定做,由于其為承插接口,管道安裝方便,球墨鑄鐵管重量適中,施工進度可大大加快；鋼骨架PE管由于其為熱熔接口,管道安裝方便,施工進度可大大加快。

4.2.6 管材價格

根據(jù)初擬的水力計算,輸水管管徑為DN500,地埋鋪設(shè)。對涂塑復(fù)合鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）、玻璃鋼管（FRP）與鋼骨架聚乙烯復(fù)合塑料管分別進行了市場詢價調(diào)查,價格比較見表2。

表2 管材方案直接投資分析表 單位：元/m

4.2.7 綜合比較

管材綜合性能比較見表3。

表3 管材綜合性能比較表

從管材造價、運輸條件、施工難度、防腐、維護、接口及可靠性等綜合分析比較,各種管材各有優(yōu)缺點。工程區(qū)位于海拔4000 m以上區(qū)域,最大凍土深度達2.02 m,設(shè)計管頂敷土埋深不小于2.5 m,部分區(qū)域埋深可達3 m以上。根據(jù)管道埋設(shè)深度限制,僅涂塑鋼管、和球墨鑄鐵管滿足埋設(shè)深度要求。

涂塑鋼管不僅具有與鋼管相同的問題,其焊口及焊口防腐需要在現(xiàn)場進行,受天氣影響較大,質(zhì)量不好控制。相比較而言球墨鑄鐵管在防腐、耐壓、適應(yīng)地基變形和快速施工等方面性能良好。綜合考慮本工程輸水管線選用球墨鑄鐵管。

5 結(jié)語

本文通過涂塑復(fù)合鋼管（SP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP管）、球墨鑄鐵管（DIP）與玻璃鋼管（FRP）、鋼骨架聚乙烯復(fù)合塑料管的對比分析,最終選擇了適用本工程的球墨鑄鐵管,以期為業(yè)界提供參考。