白石水庫取水口擴建的管材優化設計

劉福玉，郭海軍

(1.遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000;2.遼寧省柴河水庫管理局，遼寧鐵嶺112000)

白石水庫位于遼寧省北票市境內的大凌河干流上，總庫容16.45億m3，年調節水量5.28億m3，水庫初設時只為下游阜新市提供管道供水，水量28.5萬m3/d;一期工程引水量16.5萬m3/d，已于2009年11月通水。水庫下游其他城市2008年提出要從白石水庫引水11萬m3/d的要求，為解決這一問題，確定白石水庫取水口擴建方案，滿足水庫向下游管道供水39.5萬m3/d的要求。本文主要研究白石水庫取水口擴建的管材優化設計問題。

1 白石水庫取水口擴建設計方案

白石水庫現有取水口在大壩右岸24#引水壩段，分兩層取水，壩體內引水管道由2.6 m×2.6 m鋼筋混凝土洞漸變后與Φ1.6 m的鋼管相接，在中心高程105.8 m兩根鋼管匯合，在27#壩段下游引入壩后閥室，管末端接一Φ1.6 m的蝴蝶閥。水庫取水口擴建方案是在水庫下游樁號1+226 m處建一壓力箱，從壩后閥室至壓力箱間用一根長1 220 m的Φ2.5 m的管道送水，壓力箱的壓力能保證在水庫死水位時阜新引水的壓力要求。

2 Φ2.5 m輸水管材的優化選擇

根據目前國內大型供水工程實例及管材制造技術，在此規模供水工程中，本工程所用1 220 m長、直徑Φ2.5 m的管道，有如下4種管材可供選擇。

2.1 預應力鋼筋混凝土管

預應力鋼筋混凝土管在我國應用較早，生產廠家也較多，各種規格品種齊全，價格也適中。預應力鋼筋混凝土管對各種地質條件適應能力強，施工安裝方便，無需防腐處理。缺點是重量大，運輸費用大，最致命的缺點是安全性差，適用壓力低。從幾個已建工程的運行情況看，都存在或爆管或接口密封不嚴而造成嚴重漏水等事故發生，使檢修工作量加大。

2.2 玻璃鋼夾砂管

玻璃鋼夾砂管的全稱是“玻璃纖維增強熱固性樹脂夾砂管”，其特點是重量輕、強度大，防腐性好、無毒，特別是玻璃鋼夾砂管的水力特性比其它種類的管材都好。預應力鋼筋混凝土管阻力系數n=0.013，而玻璃鋼夾砂管的阻力系數只有0.009。但是該種管材性能不穩定，抗外壓能力差，在管道埋設時對回填土及回填工藝要求較高，如將石塊填入而與管壁擠壓將造成管壁應力集中而發生爆管事故。在我國已建采用該種管材的工程中，類似事故亦有發生。

2.3 預應力鋼套筒混凝土管(PCCP)

預應力鋼套筒混凝土管由鋼筒、鋼絲和混凝土構成，此種管材充分而又綜合地發揮了鋼材的抗拉、易密封性及混凝土的抗壓和耐腐蝕性。目前我國已引進國外技術和設備進行批量生產，在國內外都有大量應用，效果很好。此種管材的特點是密封性好，不滲水;工作壓力高，最高可達3.0 MPa以上;能承受較高的外荷載;管壁阻力系數較預應力鋼筋混凝土管低，在0.0107～0.012范圍;壽命長，對各種地質條件適應能力強。但其重量大、安裝較麻煩，需砂漿封口。

2.4 鋼管

鋼管是由鋼板卷制而成，可按需要制成不同直徑和不同壁厚的管道，并能按需制成各種彎管、岔管、變徑管等，容易與閥門等管道設備、附件連接。在我國各類工程中有較多應用。但是其缺點也是明顯的。其最大缺點是耐腐蝕性差，需采取可靠的防腐措施，如發生腐蝕將影響管道的壽命。另外，鋼管的施工工藝復雜、技術要求高、施工進度慢，需現場焊接并做探傷。

表1 4種供水管材性能比較表

上述4種管材的10項性能比較表中，只能對4種管材進行單個性能的定性比較，不能進行綜合定量比較，為有利于綜合定量比較，參照陳守煜模糊優化理論即“開放的復雜水資源巨系統分析技術”的模糊語氣算子與模糊標度，對4種管材的10種性能指標進行綜合賦分，以安裝性能為例，安裝性能評價最易的，賦分最高，安裝性能最難的賦分最低;再以管材抗滲性能為例，管材抗滲性能最高的賦分最高，管材抗滲性能最低的賦分最低，以此類推，形成表2管材性能賦分表，然后依照表2對表1中所列4種管材性能進行綜合評分，并且按照本工程決策者對10項性能的主觀需要，制定10項性能的權重分配，用每種管材的單項性能評分乘以相應單項權重，得到1個分值，再以每種管材的10項分值進行累加，即得出每種管材性能的綜合評分。

表2 管材性能賦分表

表3 4種管材性能綜合評分表

從表3可知，玻璃鋼夾砂管綜合評分第一，鋼管第二，預應力鋼筒混凝土管第三，預應力鋼筋混凝土管第四。

從表3中可以看出，預應力鋼筋混凝土管價格最便宜但綜合評分最低，不采用。玻璃鋼夾砂管綜合評分最高，由于剛性太差，抗外壓能力差，在以往工程中出現過爆管現象，不適宜作為水庫集中取水口頭部工程的引水管的主觀需要，不采用。預應力鋼筒混凝土管的各項指標都較好，價格也適中，直徑2.5m管徑在遼寧有生產廠家，本工程中管道較短，而鋼管更適應轉彎、管件連接、接口等，運行維護也容易。由于管道沿線大部分為回填土地段，管基情況復雜且松散，鋼管是連續無縫連接，能適應這種情況，不容易發生跑漏現象。預應力鋼筒混凝土管為承插連接，接頭處理工藝比較麻煩，一旦發生此故障維護很難。

3 結論

在白石水庫取水口擴建的管材選擇中，采用模糊優化理論，對4種可供選擇的管材進行模糊優化綜合評分，本工程最終選擇管材性能綜合評分第二名的鋼管作為輸水管材。本管材優化設計的經驗對其它類似工程有較強的借鑒意義。

［1］ 陳守煜.工程模糊集理論與應用［M］.北京:國防工業出版社，1998.

［2］ 李福明.阜新市引白水源工程可行性研究的優化分析［J］.東北水利水電，2004，6.

［3］ 劉彥.玻璃鋼夾砂管在坪上應急引水工程的應用［J］.水利工程建設與管理，2009，4.