甘河子河灌區輸水管道工程管材比選分析

張 龍

(新疆生產建設兵團第六師五家渠市水政監察支隊，新疆 五家渠 831300)

新疆生產建設兵團第六師五家渠市位于新疆昌吉州境內下游沙漠化邊緣地帶，生態環境較為惡劣，屬于嚴重干旱缺水地區。目前上游河水逐年減少，地下水超采嚴重，現有的水資源嚴重緊缺，水資源的供需矛盾日益突出，難以滿足團場農業灌溉用水需求。隨著引額濟烏的調水進入阜康市和第六師，這2個地區的水資源量將發生較大的變化，為了充分利用調水和本地區有限的水資源，需要對水資源重新進行合理配置。隨著灌區水資源需求矛盾日益突出，急需修建甘河子河灌區輸水管道工程，來解決灌區農業灌溉季節性缺水問題，以及工業發展的用水問題。

1 工程概況

甘河子河灌區輸水管道工程位于阜康市甘河子鎮及新疆兵團第六師土墩子農場境內，管道起點接已建的甘河子水庫放水涵洞，由南向北依次經過甘河子鎮、白楊河西村、西泉水庫，至終點土墩子分水閘，系統設計流量為4.17m3/s，骨干管網總長度27.83km。輸水管道工程承擔甘河子河灌區農業灌溉、工業用水的供水任務，灌溉面積5500hm2。

2018年，第六師申請國家水利專項資金，實施甘河子河灌區輸水管道工程建設，重點解決甘河子河灌區農業灌溉季節性缺水問題，以及工業發展的用水問題。甘河子河灌區輸水管道工程由骨干管網工程、配套建筑物、灌區信息化系統組成，工程等別為IV等，工程規模屬小(1)型，主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級。

甘河子河灌區輸水管道工程建成后，年供水量為2980.50萬m3，有效緩解灌區農業灌溉、工業用水矛盾，為項目區水資源有效利用、生態環境保護和職工群眾生活條件改善發揮著重要作用。

2 管材比選分析

2.1 管材選擇

甘河子灌區輸水管道管材選擇時依據管道沿線地形、地質條件、最大使用壓力分段進行，并結合工程造價選擇管材。具體選擇要求如下。

(1)管道能承受要求的內壓力和外荷載。

(2)管道使用性能的安全及維修工程量小，減少運行期的維護工作；適應氣候溫差的變化，連接方式簡單可靠；墊層處理型式簡單易行。

(3)管道使用年限長，按50a設計。

(4)管道在滿足引水能力的情況下，造價低廉。

目前在長距離中小管徑的管道輸水工程中，應用較多為鋼管、玻璃鋼管、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管及PVC管等。參考已建工程管材比選的特點以及各種管材在新疆的應用情況，本次工程對上述5種管材方案進行比選。

基于上述條件，根據鋼管、玻璃鋼管、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管及PVC-U管管材特點，對其進行技術經濟比較，最終確定為推薦管材類型。

管材特性指標參數詳見表1。

表1 管材特性指標表

2.2 管材特點分析

甘河子河灌區輸水管道工程具有中高水頭、長距離、地質情況復雜等特點，結合國內已建工程的應用情況分析，當地質條件較好，使用壓力較低時，對大口徑輸水管道(DN>DN400)，可通過比較選擇球墨鑄鐵管、鋼管、玻璃鋼管、預應力鋼筋混凝土管(PCCP)；對小口徑輸水管道(DN≤DN400)，可通過比較選擇球墨鑄鐵管、鋼管、PVC-U管。參考已建工程管材比選的特點以及各種管材在新疆的應用情況，本次工程對上述5種管材方案進行比選分析。

2.2.1鋼管

鋼管是以熱軋鋼帶卷作管坯，經常溫螺旋成型，用雙面埋弧焊法焊接，鋼管承壓能力強，可以承受較高的內壓和外壓，焊接性能好，富延展性、耐振動及沖擊，使用安全可靠。特點分析如下。

(1)水力學條件。鋼管采用內涂層防腐時糙率為0.0095，其過水能力較強，抗水流沖擊力較強。

(2)技術性能。鋼管承壓能力強，可以承受較高的內壓和外壓，機械強度較好，富延展性、焊接性能好，耐振動及沖擊性強，使用安全可靠。

(3)地基適應性及回填。管材的標準直管最大容許轉角為1°，對管基的要求相對較高，主管區回填材料的最大粒徑25mm以下，對地形的適應性較強，尤其是在穿越河流、公路、山谷和障礙物時最為方便。

(4)抗腐蝕性。受地下水及場地土的腐蝕性影響，需采取一定的防腐措施，管道內外均需考慮防腐，內壁采用環氧涂料、外壁采用3PE防腐層。

(5)施工及維修。鋼管現場的工作量較大，施工速度較慢，施工現場焊接需要有電源，并保證工作坑內無積水，涌水地點施工困難，安裝費用相對較高，維修方便。

(6)安全性。鋼管承壓能力強，焊接性能好，經過各種嚴格的科學檢驗和測試，使用安全可靠。

(7)使用年限。30a以上。

(8)工程投資。建筑工程費10127.36萬元，工程投資較少。

2.2.2玻璃鋼管

玻璃鋼管是由合成樹脂和玻璃纖維復合制成的一種管材，能有效地抵抗酸、堿、鹽及電腐蝕等介質的侵蝕，耐腐蝕，重量輕，有利于施工安裝，無需作防腐處理。特點分析如下。

(1)水力學條件。玻璃鋼管的水力性能優越，其內壁光滑，阻力小(糙率系數為0.009)，其過水能力最強，輸水能力大。在相同管徑、相同流量條件下比其他材質管道水頭損失小、節省能耗。

(2)技術性能。內襯層起防腐、防滲作用，纏繞層與樹脂砂漿層擔負管道的強度和剛度作用，外保護層起抗老化、防腐蝕、抗日曬的作用。承受外壓能力是管材本身剛度和回填材料的反作用力的組合，相對承外壓能力較弱。

(3)地基適應性及回填。管材的標準直管最大容許轉角為1°，對管基的要求相對較高，主管區回填材料的最大粒徑20mm，對地基的適應性一般，承外壓能力較弱，在管道施工對回填材料和回填料密實度要求較高。

(4)抗腐蝕性。能有效地抵抗酸、堿、鹽及電腐蝕等介質的侵蝕，耐腐蝕性好，長期運行后內壁不結垢，無需作防腐處理。

(5)施工及維修。重量輕，有利于施工安裝，單根管道長度可達到12m，可減少接頭數量，降低施工費用，施工進度較快，維修方便。

(6)安全性。由于管壁薄，運輸及安裝過程中易因碰撞產生薄弱點，存在安全隱患。

(7)使用年限。50a以上。

(8)工程投資。建筑工程費10756.21萬元，工程投資最多。

2.2.3預應力鋼筒混凝土管(PCCP)

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)是一種鋼筒與混凝土制作的復合管，管芯為混凝土，在其外壁或中部埋入鋼筒，在管芯上環向纏繞預應力高強鋼絲，并在其外部噴水泥砂漿保護層，充分發揮混凝土抗壓、鋼絲抗拉、鋼筒抗滲等性能。特點分析如下。

(1)水力學條件。預應力鋼筒混凝土管(PCCP)管內壁是內襯混凝土，由于糙率相對較大(糙率系數為0.011～0.0125)，輸水阻力相應較大。

(2)技術性能。充分發揮混凝土抗壓、鋼絲抗拉、鋼筒抗滲等性能，其承受內外壓的能力均較高，剛性管壁和粗糙外表面使之有很好的耐久性。

(3)地基適應性及回填。管材的標準直管最大容許轉角均為1°，對管基的要求相對較高，主管區回填材料的最大粒徑25mm以下，對地基適應性一般，承外壓能力較強，在管道施工對回填材料和回填料密實度要求較高。

(4)抗腐蝕性。受地下水及場地土的腐蝕性影響，均需采取一定的防腐措施，對PCCP管要求管道外壁的砂漿保護層采用抗硫酸鹽水泥，并增設加強級環氧煤瀝青防腐措施。

(5)施工及維修。PCCP管吊裝重量大，裝卸和搬運相對困難，采用承插接頭，單節管長5或6m，接頭數量相對較多；現場的工作量較大，施工速度相對較慢，維修較難。

(6)安全性。預應力鋼筒混凝土管(PCCP)承壓能力強，經過各種嚴格的科學檢驗和測試，使用安全可靠。

(7)使用年限。50a以上。

(8)工程投資。建筑工程費10345.12萬元，工程投資較多。

2.2.4球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管是使用18號以上的鑄造鐵水經添加球化劑后，經過離心球墨鑄鐵機高速離心鑄造成的管道，管道承受壓力較高，對地基適應性較強，耐腐蝕性強，富有強韌性，耐沖擊強度大。特點分析如下。

(1)水力學條件。球墨鑄鐵管內壁糙率0.0125，由于糙率相對較大，輸水阻力相應較大。

(2)技術性能。安全性高，管道承受壓力較高，采用橡膠圈接口，柔性較好，富有強韌性，耐沖擊強度大，機械接頭的可撓性與伸縮性，接頭方便。

(3)地基適應性及回填。管材的標準直管最大容許轉角均為1°，對管基的要求相對較高，主管區回填材料的最大粒徑小于25mm，對地基適應性較強，管道承受壓力較高，在管道施工對回填材料和回填料密實度要求較高。

(4)抗腐蝕性。球墨鑄鐵管管道內壁采用水泥砂漿內襯防腐，外壁采用噴鋅+環氧煤瀝青防腐。耐腐蝕性強，富有強韌性，耐沖擊強度大。

(5)施工及維修。球墨鑄鐵管吊裝重量較大，裝卸和搬運相對困難，有標準配件，機械接頭的可撓性與伸縮性，接頭施工方便，維修較難。

(6)安全性。管道承受壓力較高，使用安全性高。

(7)使用年限。50a以上。

(8)工程投資。建筑工程費10235.47萬元，工程投資較多。

2.2.5PVC-U管

PVC-U管是聚乙烯復合管管材，埋地施工無需內外防腐；密封性良好，采用承插連接，施工較為簡單；無毒，安全衛生；屬于柔性管材，對地基的適應性較好；耐磨，耐久性等指標均較高。特點分析如下。

(1)水力學條件。PVC-U管屬于柔性材料，糙率為0.0095，其過水能力較強。

(2)技術性能。埋地施工無需內外防腐；密封性良好，采用承插連接；無毒，安全衛生；耐磨，耐久性等指標均較高。

(3)地基適應性及回填。管材的標準直管最大容許轉角均為1°，對管基的要求相對較高，屬于柔性管材，對地基的適應性較好；管道沿線地質均可滿足回填。

(4)抗腐蝕性。PVC-U管是聚乙烯復合管管材，優點是耐腐蝕性好，埋地施工無需內外防腐。

(5)施工及維修。PVC-U管重量較輕，采用承插連接，單節管長10m，最大可做到18m，接頭數量少，施工簡單、速度快，維修方便。

(6)安全性。無毒，安全衛生。

(7)使用年限。50a以上。

(8)工程投資。建筑工程費10119.36萬元，工程投資最少。

2.3 結論

通過對鋼管、玻璃鋼管、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管、PVC-U管5種管材進行對比，從水力學條件、技術性能、地基適應性及回填、抗腐蝕性、施工及維修、安全性、使用年限、工程投資方面分析、比較，分析成果詳見表2。

表2 管材分析成果表

綜合上述分析成果，管材選擇時依據管道沿線地形、地質條件、最大使用壓力分段進行，并結合工程造價選擇管材。本次選擇壓力等級>1.25MPa采用鋼管；壓力等級≤1.25MPa，管徑DN≥400mm的管道，應以玻璃鋼管為主；壓力等級≤1.25MPa，管徑DN<400mm的管道，以PVC-U管為主。

3 結語

通過比選、分析鋼管、玻璃鋼管、PCCP、球墨鑄鐵管、PVC-U管5種管材特性，確定適宜的管材類型，從而提升了工程質量，降低了投資，便于施工與運行管理，對改善項目區水資源有效利用、生態環境保護和職工群眾生活條件具有重要意義。對于上述5種管材特點的比選、分析是基于管道為高水頭、長距離、流量較小、管徑較小、落差較高且地形地質條件比較優越的小(Ⅰ)型輸水管道工程適合，非上述情況的輸水管道工程管材類型選擇還需結合實際重新論證、分析，最終才能確定最佳工程管道管材類型。