引漢濟渭二期工程輸水管道管材比選

楊軍超

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024)

1 概述

引漢濟渭二期工程承擔著向調入區重要城市供水、促進經濟發展和改善生態環境的重要任務，由黃池溝配水樞紐、南干線、北干線組成。工程等別為Ⅰ等大(1)型工程，輸水干線主要建筑物及交叉控制建筑物級別為2級，次要建筑物級別為3級，供水保證率要求不低于95%。二期工程壓力管道主要布置在北干線，北干線始端設計流量30m3/s，壓力管道長為53.58km，占北干線總長的60%以上。其中黃池溝至楊武分水口段壓力管道長19.61km，楊武分水口至板橋出水池段壓力管道長19.81km，張閣村至涇河新城段壓力管道長14.16km。

北干線輸水距離長、保證率要求高，特別重視工程的安全性，雙管輸水布置，設計流量30～13.5m3/s，流量規模大，管徑范圍3400～2400mm，工壓范圍0.4～1.6MPa，通過黃池溝右岸秦嶺北麓中低山、秦嶺山前洪積平原、河流漫灘、河流階地及渭北黃土臺塬等地貌單元，沿線地質條件多變，地形起伏高差大，管頂覆土厚度2～13m，多次穿越秦嶺斷裂帶、河流、高速鐵路、高速公路等，運行工況復雜，占投資比例高，增加了供水管道選型難度，選擇合理的管材用于施工尤為重要。

2 輸水管道管徑及管壓確定

長距離大口徑輸水管材選擇充分考慮管徑、管壓、地質條件、管材性能及工程應用經驗，進行技術、安全、經濟綜合比較[1-2]。

2.1 管徑確定

引漢濟渭二期北干線工程輸水管道線路長、流量大，受水區對供水的保證率及可靠性要求高，為了保證供水的可靠性，輸水管線需按不少于2條輸水管線布置。建設3條管道管線，雖管徑稍小，但管線長度增加較多，沿線附屬建筑物多，運行維護工作量大，尤其是工程占地面積多，協調難度更大，移民占地補償費用更高，投資增加明顯。因此采用雙管道輸水。

輸水壓力管道為有壓重力流輸水，在保證管道輸水能力的前提下，管徑的選擇要合理且最經濟，以達到控制投資的目的。根據相關規范選定輸水管道設計流速范圍為0.6～3.0m/s，黃池溝至板橋出水池段管徑范圍為2.2～4.9m，滿足各控制點水位要求情況下，沿線的水頭損失不應超過16.88m，黃池溝至板橋出水池選取管徑DN3200、DN3400、DN3600mm進行試算比選；張閣村至涇河新城段管徑范圍為1.7～3.8m，滿足各控制點水位要求情況下，沿線的水頭損失不應超過9.68m，張閣村至涇河新城選取管徑DN2200、DN2400、DN2600mm進行試算比選[3]。根據水頭損失計算公式，不同管徑的水頭損失計算結果詳見表1。

表1 不同管徑的水頭損失計算表

根據表1計算結果可知，黃池溝至板橋出水池段管徑DN3200mm的總水頭損失過大，不滿足控制點水位要求；管徑DN3400mm的總水頭損失為15.80m，滿足要求，且接近最大允許值；管徑DN3600mm的總水頭損失過小，且管徑大投資較多。因此，選定黃池溝至板橋出水池段管徑為DN3400mm。張閣村至涇河新城段管徑DN2200mm的總水頭損失過大，不滿足控制點水位要求；管徑DN2400mm的總水頭損失為9.02m滿足要求，且接近最大允許值；管徑DN2600mm的總水頭損失過小，且管徑大投資較多。因此，張閣村至涇河新城段管徑確定為DN2400mm。

2.2 管壓確定

根據管道所處位置、管線的水頭損失及管線沿程各類閥的開關運行時所引起的水錘引起管道壓力增加，依據GB 50013—2018《室外給水設計標準》和CECS 193—2005《城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程》，管道在采取水錘防護后不應出現水柱分離，瞬時最大壓力不應大于正常工作壓力的1.3～1.5倍，工作壓力應為最大使用壓力(含水錘壓力)加0.2～0.4MPa安全裕量，管道最大水錘壓力為正常工作壓力的1.35倍，安全裕量取0.3MPa[4-5]。經綜合考慮，黃池溝至板橋出水池段管道內水壓力分別取0.8、1.0、1.4、1.6MPa；張閣村至涇河新城段管道內水壓力分別取0.6、1.4MPa。

3 管材性能及工程應用

結合國內管材生產、管道安裝和本工程的實際情況，長距離大流量輸水工程使用鋼管(SP)、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管(DIP)、玻璃鋼管4種管材較多，但玻璃鋼管質地較脆，剛度低、承受外荷載和負壓能力較差，對溝槽基礎墊層要求較高，抗浮能力較差，實際工程應用多以DN2000mm以下為主。在已確定輸水管道管徑和設計壓力的基礎上，重點對鋼管、PCCP管和DIP管3種管材的性能優缺點及工程應用情況進行分析[1-2,6]。

3.1 鋼管(SP)

鋼管廣泛應用于各行各業，水利工程輸水鋼管通常選用鋼板制作，高強度，韌性好，管件易加工。鋼管的優點是強度高，承受內壓能力強，承受外壓能力稍弱；接口多樣，糙率低，水頭損失較小，重量較輕，安全性能高；防滲性好，不良地質適應能力強，一般不需做基礎處理，管道配件可按照實際需要進行設計和切割制作，結構簡單、施工方便、維修方便[7]。

鋼管的缺點是價格相對較高，接口焊接工作量大，若焊接質量達不到規范要求易發生滲漏，抗腐蝕性能差，使用壽命較短，管道內、外壁需做防腐處理，設置陰極保護措施來提高使用壽命。

3.2 預應力鋼筒混凝土管(PCCP)

PCCP管內部嵌置鋼筒，纏繞預應力高強鋼絲，外部噴砂漿保護層。PCCP管管徑范圍廣，管徑一般為600～4000mm，可承受較高內壓及外部荷載，工作內壓范圍0.4～2.0MPa，管頂覆土可達5m以上；采用承插連接，橡膠圈止水密封性高，安裝后逐一打壓；耐腐蝕性能好，安裝接口需作防腐，管道外壁根據地質情況做防腐處理，有時需設置陰極保護措施來確保使用壽命；施工安裝簡單快捷，安全可靠，工程造價較低[8]。

PCCP管缺點是重量較重，尤其在高覆土，高工壓時，為幾種管材中最重，大口徑PCCP管的運輸較困難，運輸效率低，現場施工也需修筑較高等級的臨時便道，采用較高噸位的履帶吊進行吊裝，運輸和施工限制因素多；生產制造控制指標多，流程復雜，尤其是管芯裂縫問題、大口徑承插口制造、防腐、管道基礎處理等質量環節多、控制難度大；預應力鋼絲易斷絲，維修困難。

目前PCCP管已廣泛應用在水利、電力、市政工程等各個領域，長距離、大流量輸水調水工程中，尤其在超大口徑的應用具有明顯的優越性。典型工程應用有：南水北調中線京石段工程應用最大管徑DN4000mm，設計壓力0.6MPa，長度約112km[9]；山西萬家寨引黃工程應用DN3000mm，設計壓力0.6～1.0MPa，長度36.5km；遼寧大伙房輸水工程應用DN2400～3200mm，設計壓力0.6～1.0MPa，管道總長144km[10]；遼西北供水工程采用920kmPCCP管道，管徑DN3200、DN3400、DN3600、DN3800mm，設計壓力分別為1.6、1.4、1.2、1.0MPa；廣州西江引水工程中應用DN3600mm，設計壓力0.6MPa，管道總長51.6km；吉林省中部城市引松供水工程中應用的DN4000mm，設計壓力0.8MPa，管道總長20.975km。

3.3 球墨鑄鐵管(DIP)

球墨鑄鐵管的管徑一般為80～2600mm，工作壓力為0.6～3.0MPa，管徑DN80～DN2200mm已具備批量生產能力，使用非常廣泛。DIP管強度比鋼管大，使用壽命最長，承受壓力較高，很少出現爆管、漏水現象；采用柔性接口，地基適應能力較強，抗震性能高；具有良好的防腐性能，現場不必進行額外防腐；運輸安裝方便，工期短，費用較低[11]。

DIP管的缺點是大口徑管道國內生產廠家較少，市場競爭少，管件價格較高，重量較鋼管重，承受外部荷載性能較預應力鋼筒混凝土管稍差。

現階段，DIP管在國內主要的的長距離、大流量引調水工程已得到廣泛應用，典型工程應用有：南水北調北京段應用DN2400mm，設計壓力1.0MPa，長度約34km；新疆大西溝管線引水工程應用DN2200mm，設計壓力2.3MPa，長度約17km；太原引黃工程應用DN2200mm，設計壓力1.0MPa，長度約30km；云南紅河州河庫連通工程應用DN2000mm，設計壓力1.6MPa，長度約17km[12]。

4 管材選用綜合分析

根據本工程特點，考慮地質條件、管材性能及工程應用經驗，本文從技術、安全運行、經濟等方面對相同管徑、相同管壓的鋼管、PCCP管和DIP管3種管材進行比選。

4.1 技術方面比較

鋼管安裝維修方便，管件極易加工，防滲漏性能較好。但對焊接接口質量要求高，焊口應進行100%無損探傷及防腐補口處理，耐腐蝕性差，管壁內外壁需設置陰極保護設施，安裝費用高；DIP管防腐性能較好，承插柔性接口，管件廠內加工，安裝方便，施工工期短，對地基適宜性較強，重量較鋼管大；PCCP管防腐性能好，管件定制周期較長，重量最大，通行道路要求高，現場吊裝施工較困難，承插柔性接口，管道發生位移時，易發生滲漏。

根據調研可知，在實際工程應用中大口徑DN3000mm以上PCCP管應用具有明顯的優越性，設計壓力一般小于1.6MPa，以1.2MPa以下為主，只有在遼西北供水工程中使用1.4、1.6MPa的PCCP管。因此，設計壓力高于1.2MPa，不推薦采用PCCP管材。不同管材技術性能對比詳見表2。

表2 不同管材性能對比表

4.2 安全運行方面比較

PCCP管管節個別鋼絲斷裂會引起更多斷絲開裂，一旦開裂將影響管材的預應力效果，可能造成爆管的致命危害。維修需要根據爆管位置，完成停水調度和截斷爆管，更換整個管材，費時且難修復。為保證工程運行安全，需增設PCCP管安全監測設施；鋼管、DIP管在出現漏水、爆管等突發事件時，無需停水關閥，鋼管直接焊接修復破壞點，DIP管需用管箍接頭連接，并更換管節。鋼管管節數量多，現場焊接、探傷、焊縫補口防腐等工藝施工周期長，對施工人員要求高，安裝質量很難控制，對管道長久運行造成隱患。為增加防腐效果，重要的輸水工程應用鋼管時外加陰極保護。DIP管抗腐蝕性能優良，一般環境條件不需要加其他防腐措施，運行安全性更好。

4.3 經濟方面比較

對相同規格管材進行經濟對比，管件到場單價通過詢價及報價確定，安裝費、陰極保護費用、運行監管費參考已建工程取值，分析得出管材綜合單價規律。管材管徑3400mm：鋼管綜合單價較高，PCCP管較低；管徑2400mm∶DIP管綜合單價最高，鋼管次之，PCCP管最低。不同管材綜合單價對比詳見表3。

表3 不同管材綜合單價對比表

4.4 管材確定

根據本工程的特點，管線輸水距離長、供水保證率要求高，特別重視工程的安全性，充分考慮管徑、管壓、地質條件、管材性能及應用經驗，從技術、安全運行、經濟方面綜合比選，黃池溝至板橋出水池段管材管徑3400mm，設計壓力范圍為0.8～1.6MPa，壓力等級1.2MPa以下推薦選用PCCP，既可靠又經濟；壓力等級1.2MPa以上選用鋼管，雖然較選用PCCP管投資稍微增加，但高內壓使用鋼管可靠度更高。穿越秦嶺北塬斷裂帶，地質條件差的低壓力管道、黑河、渭河管橋段采用鋼管。

張閣村至涇河新城段管材管徑2400mm，設計壓力范圍為0.6～1.4MPa，壓力等級1.2MPa以下推薦選用PCCP管，既可靠又經濟；壓力等級1.2MPa以上選用DIP管，穿越涇河管橋段采用鋼管。壓力等級1.2MPa以上段，技術上采用鋼管和DIP管都可行，采用鋼管造價稍低，但鋼管易腐蝕，一旦防腐處理不當，將直接影響其使用壽命和輸水能力，采用DIP管工程運行安全，可靠性更高，因此選擇DIP管。

二期北干線工程輸水管道管材選型方案科學合理，采用鋼管長度為71.76km，PCCP管長度為14.30km，DIP管長度為10.55km。鋼管內防腐采用溶解環氧粉末，外防腐采用熱熔聚乙烯；PCCP管在現場不再額外內防腐處理，外防腐采用環氧煤瀝青涂層；DIP管現場不再額外防腐處理。PCCP、鋼管采用陰極保護措施，同時合理布置檢修閥、調流調壓閥、排氣閥等管道附屬設施，能保證輸水管線的安全性及供水可靠性。

5 結語

目前，國內大型引調水工程不斷增多，輸水管道占投資的比重很大，有效開展輸水工程管材的比選研究日益重要。本文通過對引漢濟渭二期工程適宜采用的鋼管、PCCP管、DIP管3種管材進行分析比選，確定了最優的管材選型方案，可有效保證工程按期通水，避免了更換管材帶來投資增加的風險，降低了工程安全運行風險。上述管材比選是基于長距離、大口徑、地質條件復雜、供水保證率要求高的大(1)型輸水管道工程進行的，其他輸水工程管材類型選擇還需結合工程實際情況，考慮管材選擇涉及的各個因素，綜合分析確定最適宜的管道管材類型。