小直徑PCCP管在深溪河水庫輸水工程中的設(shè)計與優(yōu)化研究

中圖分類號：TV672 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0112-04

Abstract：Inordertoaddressregional waterresourceshortages，thispaperfocusesontheoptimizationdesignofsmaldiameterprestressdconcretecylinder pipes （PCCP）forthe ShenshuiRiver Reservoir waterconveyanceproject.Byanalyzing the characteristicsoftheproject，theperformanceofPCCPmaterials，andconstructionconditions，areasonabledesignschemeis proposed.Theoptimizationprimarilytargetsaspectssuchaspipelinestructure，jointforms，andanti-corosionmeasureswithan aimtoenhancebotheconomiceficiencyandreliabilityoftheprojetTheresearchfindingsindicatethatsmall-diameterPCCP pipescanmtengineeringrequirements;throughoptimizeddesign，itisposibletoefectivelyreduceprojectcostswhile extending service life，providing a reference for similar water transmisson projects.

Keywords：smalldiameterPCCPpipe;ShenxiRiverReservoir;waterconveyance project;pipelinedesign;optimizationdesign

水資源短缺是制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵性難題，在水資源時空分布不均的地區(qū)尤為重要。實(shí)現(xiàn)水資源的高效調(diào)配與合理利用，已成為當(dāng)前水利工程領(lǐng)域亟待解決的課題。深溪河水庫輸水工程作為緩解區(qū)域水資源供需矛盾的重點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施項目，其設(shè)計方案的合理性、施工質(zhì)量的可靠性與工程的經(jīng)濟(jì)效益及穩(wěn)定運(yùn)行相關(guān)。近年來，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）因其優(yōu)異的力學(xué)性能、卓越的抗?jié)B能力以及較長的使用壽命，在輸水工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)大直徑PCCP管在中小型輸水工程中面臨建設(shè)成本高、施工工藝復(fù)雜等問題，限制了其在更廣泛場景中的應(yīng)用。針對上述問題，本文以深溪河水庫輸水工程為研究對象，采用小直徑PCCP管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過系統(tǒng)分析工程區(qū)域的水文地質(zhì)條件、管材力學(xué)性能及施工技術(shù)特點(diǎn)，提出了一套兼具經(jīng)濟(jì)性與可靠性的輸水管線設(shè)計方案。研究重點(diǎn)聚焦于管道結(jié)構(gòu)優(yōu)化、接口形式創(chuàng)新及防腐措施改進(jìn)等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，旨在協(xié)同提升工程性能與經(jīng)濟(jì)效益。

1 項目概況

本項目屬于小型（1）類別，最大壩體高度達(dá)到 63m 總庫容量為 2.779×10⁶m³ ，調(diào)節(jié)庫容則為 2.08×10⁶m³ 。該水庫的正常蓄水位設(shè)定在海拔 1300m 處，而死水位位于 1275m ;壩頂高程則達(dá)到了 1305m 。此工程旨在灌溉約2.62萬畝（1畝約等于 667m² 的土地，并滿足1.61萬人的安全飲水需求，設(shè)計年供水量總計6.412×10⁶m³ ，引用流量的設(shè)計值為 0.912m³/s. 。輸水系統(tǒng)的起點(diǎn)設(shè)于深溪河水庫大壩下游區(qū)域，隨后沿著河流走向鋪設(shè)至九門村灣口上方已有的引水隧道入口位置，再通過現(xiàn)有隧道延伸至龍橋村張家灣附近，最終形成2路分支：一路向紅烈方向輸送水資源，另一路則通往十兩坪地區(qū)。整個輸水管線長度約為 14055m 所選用的管材規(guī)格范圍從DN500到DN700不等，具體材料為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）。此外，考慮到項目所在地的地理環(huán)境及未來可能面臨的挑戰(zhàn)，本方案還特別強(qiáng)調(diào)了對于管道材質(zhì)的選擇以及施工技術(shù)的應(yīng)用，以確保長期穩(wěn)定供水的同時，最大限度地減少對自然生態(tài)的影響。通過對當(dāng)?shù)貧夂驐l件、地質(zhì)構(gòu)造等因素的綜合考量，項目團(tuán)隊決定采用具有較高耐腐蝕性與良好抗壓性能的小直徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）作為主要輸送介質(zhì)，這不僅有助于延長設(shè)施使用壽命，同時也能夠有效應(yīng)對可能出現(xiàn)的各種復(fù)雜工況。

2 小直徑PCCP管

2.1 小直徑PCCP管簡介

小直徑PCCP管是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)管道，由內(nèi)襯層一鋼筒層一外預(yù)應(yīng)力混凝土層構(gòu)成[2]。內(nèi)襯層通常采用高分子材料，提供防腐蝕和光滑的內(nèi)壁，便于水流；鋼筒層作為核心承載結(jié)構(gòu)，賦予管道高強(qiáng)度和抗壓性能；外預(yù)應(yīng)力混凝土層則通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)，增強(qiáng)了管道的整體剛度和抗裂性。此結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得PCCP在承受內(nèi)外水壓、土壤荷載及環(huán)境侵蝕方面表現(xiàn)出色，常見PCCP管道的結(jié)構(gòu)層次如圖1所示。

圖1常見PCCP管道的結(jié)構(gòu)層次

小直徑PCCP管環(huán)向抗壓強(qiáng)度主要由預(yù)應(yīng)力鋼絲和混凝土層共同承擔(dān)，計算公式為

式中： P_c 為管材的環(huán)向抗壓強(qiáng)度， MPa;f_py 為預(yù)應(yīng)力鋼絲的屈服強(qiáng)度， MPa;A_ps 為單位長度內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絲的截面積， mm²;D 為管材的平均直徑， mm ，通常取內(nèi)徑與外徑的平均值； f_ct 為混凝土的抗拉強(qiáng)度， MPa;t_c 為混凝土層的厚度， mm 。

小直徑PCCP管軸向抗壓強(qiáng)度主要由混凝土層和鋼筒共同承擔(dān)，計算公式如下

P_a=f_cc×A_c+f_sy×A_S

式中： P_a 為管材的軸向抗壓強(qiáng)度， MPa;f_c 為混凝土的抗壓強(qiáng)度， MPa;A_c 為混凝土層的截面積， mm²;f_sy 為鋼筒的屈服強(qiáng)度， MPa;A_s 為鋼筒的截面積， mm² 。

2.2 PCCP管材性能

PCCP管材是一種由薄壁鋼筒、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層及混凝土外層組成的復(fù)合管材。內(nèi)置鋼筒與預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞層協(xié)同作用，顯著提升了管材的軸向與環(huán)向抗壓性能，使其能夠承受極高的內(nèi)外水壓，特別適用于長距離、大流量的輸水工程3。在制造工藝方面，鋼筒與混凝土層通過高精度工藝實(shí)現(xiàn)緊密結(jié)合，配合嚴(yán)格的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，確保了管材具有優(yōu)異的抗?jié)B性能，有效防正水分滲漏，從而保障輸水效率和水質(zhì)安全。PCCP管材具有突出的耐久性特征，其耐腐蝕、耐磨損性能優(yōu)異，可在惡劣環(huán)境條件下保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)工程實(shí)踐表明，PCCP管材的設(shè)計使用壽命通常可達(dá)50a以上，顯著降低了工程全生命周期的維護(hù)成本。在施工適應(yīng)性方面，PCCP管材兼具良好的柔韌性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，無論是埋地敷設(shè)還是架空安裝，均能適應(yīng)復(fù)雜地形地貌的施工要求，PCCP管材各項參數(shù)性能見表1。

表1PCCP管材各項參數(shù)性能

2.3 施工條件

在PCCP管材施工過程中，需嚴(yán)格按照以下技術(shù)要求執(zhí)行，以確保工程質(zhì)量和管材安全。

第一，管溝準(zhǔn)備。施工前應(yīng)對管溝底部進(jìn)行平整處理，清除尖銳硬物及其他可能損傷管材的雜物。必要時，應(yīng)在管溝底部鋪設(shè)砂墊層或碎石層，以均勻分布荷載，防止管材因不均勻沉降或外力作用而受損。

第二，運(yùn)輸與存放。PCCP管材在運(yùn)輸過程中應(yīng)采取有效的固定措施，避免管材因碰撞或滾動而損壞。存放時應(yīng)選擇平坦、開闊的場地，并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，避免管材長時間暴露在日曬雨淋環(huán)境中，確保管材保持干燥清潔。

第三，管材連接。PCCP管材的連接通常采用橡膠圈密封承插式連接或法蘭連接。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照廠家提供的安裝指南操作，確保連接部位密封可靠，防止漏水現(xiàn)象發(fā)生。

第四，管溝回填。分層進(jìn)行管溝回填，每層厚度不宜過大，并使用適宜的壓實(shí)設(shè)備均勻壓實(shí)，避免對管材造成過大的側(cè)向壓力。回填材料應(yīng)選擇無尖銳顆粒、無腐蝕性成分的適宜材料，以保護(hù)管材免受損傷。

3 工程設(shè)計與優(yōu)化應(yīng)用

3.1 管線布置

管線盡量保持順直，主要沿現(xiàn)有道路或渠（溝）邊敷設(shè)，避開填方區(qū)、滑坡風(fēng)險區(qū)以及可能受山洪威脅的地帶4。通過優(yōu)化線路布置，減少拆遷量，避免占用良田，最大限度減少植被破壞。使管道埋設(shè)施工及后期維護(hù)更加便捷，確保運(yùn)行安全可靠。本項目優(yōu)化管線布置，管道從大壩起點(diǎn)沿深溪河下游右岸道路敷設(shè)至隧洞進(jìn)口，進(jìn)人隧洞后穿越至龍橋村的干溝灣，從干溝灣繼續(xù)布管至龍橋村張家灣附近，最終分別引水至紅烈村與灣潭十兩坪。

3.2管道埋深與抗浮

埋地管道的埋置深度是工程設(shè)計中的關(guān)鍵參數(shù)，其確定直接影響土方開挖量、回填量以及工程總體投資。因此，抗浮計算不僅是確保工程安全的重要環(huán)節(jié)，也是控制工程投資的關(guān)鍵因素。在輸水管道的抗浮計算中，通常按空管工況進(jìn)行設(shè)計。為簡化計算過程，取1延米管道作為計算單元，并假定地下水位完全浸沒管道。具體計算公式如下

式中： ΣF_GK 為各種抗浮作用標(biāo)準(zhǔn)值之和； ΣF_fw，k 為浮托力標(biāo)準(zhǔn)值； K_f 為抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)， K_f?1.1 ，本項目取 K_f=1.3 。

各種抗浮作用標(biāo)準(zhǔn)值 ΣF_GK 采用下式計算

G_±=γ_sH_sD

式中： G_± 為管頂上土重； γ_s 為土的浮容重，取 8kN/m³ H_s 為管頂覆土深度， 為管道的最大外徑；G 管為管材自重，按管材規(guī)格取值。

浮托力標(biāo)準(zhǔn)值 采用下式計算

式中： γ_w 為水的容重，取 10kN/m³ 。

將 ΣF_GK 與 ΣF_fw，k 的計算式和數(shù)值代入抗浮公式中得到下式

3.3 管道敷設(shè)

在管道安裝前，須對管道內(nèi)部、承口及插口進(jìn)行徹底清理，確保無雜物殘留。管道安放時應(yīng)保持平直，安裝過程中需確保管道正確就位，管口縱向間隙應(yīng)嚴(yán)格控制在 5mm 以內(nèi)，轉(zhuǎn)角偏差應(yīng)調(diào)整至 -1^°～1^° 的允許范圍內(nèi)。為便于安裝，應(yīng)在插口的橡膠圈和承口工作面上均勻涂刷無腐蝕性的潤滑油。對于鋼管、閥門及法蘭的布設(shè)，應(yīng)采取有效的防腐措施。焊接作業(yè)時，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量，確保其符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；采用螺栓連接時，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行操作，以保證連接的可靠性和密封性。

3.4 溝槽回填

在壓水試驗前，管頂覆土厚度應(yīng)達(dá)到 50cm ；待壓水試驗合格后，方可進(jìn)行覆土回填至設(shè)計標(biāo)高。回填土應(yīng)對稱分布于管道兩側(cè)，確保受力均勻。在管頂以下區(qū)域，采用輕型壓實(shí)設(shè)備進(jìn)行分層碾壓，每層回填厚度不得超過 15cm ，壓實(shí)度需達(dá)到 93% 。回填過程中應(yīng)采取有效措施防止管道上浮或位移。管頂以上50cm 范圍內(nèi)的覆土，同樣采用輕型壓實(shí)設(shè)備分層碾壓，每層厚度不得超過 20cm ，壓實(shí)度需達(dá)到 90% 。地面以下 20cm 范圍內(nèi)的覆土，壓實(shí)度需達(dá)到 85% 。對于漏壓部位，應(yīng)采用小型壓實(shí)設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)壓，確保整體壓實(shí)質(zhì)量。回填完成后，溝槽開挖產(chǎn)生的多余土方應(yīng)原地攤鋪整平，并使用壓路機(jī)壓實(shí)，盡量實(shí)現(xiàn)棄渣的就地消化。對于局部地段過剩的土方，應(yīng)采用自卸汽車運(yùn)輸至指定的棄土場地，以利于原地形地貌的恢復(fù)，減少對環(huán)境的影響。小直徑PCCP溝槽回填區(qū)域壓實(shí)度示意如圖2所示。

單位：mm

圖2小直徑PCCP溝槽回填區(qū)域壓實(shí)度示意圖

4結(jié)束語

綜上所述，本文針對深溪河水庫輸水工程中小直徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，通過分析項目概況和小直徑PCCP管的性能與施工條件，提出了一套兼具經(jīng)濟(jì)性、可靠性的輸水管線設(shè)計方案。該方案不僅滿足了工程的技術(shù)要求與運(yùn)行需求，還充分考慮了環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展原則，為同類工程提供了具有參考價值的設(shè)計范式與實(shí)踐經(jīng)驗。隨著水利工程技術(shù)體系的不斷完善與創(chuàng)新，小直徑PCCP管將在更廣泛的應(yīng)用場景中發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，為水資源的高效調(diào)配與可持續(xù)利用提供可靠的技術(shù)支撐。

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