嚴寒荒漠地帶大口徑RPM管道的應用

木拉提·斯依提汗

（新疆額河流域開發工程建設管理局，新疆烏魯木齊 830000）

1 概況

RPM管道也稱玻璃鋼夾砂管道,是采用高模量增強纖維和合成樹脂及高質量的石英砂組合的一種復合材料管。它以壽命長、抗侵蝕性能高、適應地基變形能力好、便于運輸和安裝等優點,在我國的工農業用水及城市用水工程中越來越廣泛使用。北疆供水工程倒虹吸采用RPM管道,其管線部分總長度達5.32 km,管道直徑為3.1 m,壓力等級0.46 MPa,屬于長距離大型倒虹吸。工程位于遠離城鎮、人煙稀少的荒漠腹地，管線采用雙溝雙線地埋式布置。雙管設計流量30.5 m3/s,加大流量35 m3/s。最大工作靜水壓力水頭為46 m，最大水頭損失為4.328 m。該工程于2006年正式投入運行,5年來工程運行狀況良好。在嚴寒地區，地層為中強膨脹巖中，沿線RPM管道的徑向和軸向變形及承插接頭變形均在允許范圍之內。

2 管材選用

2.1 工程特點

1）單管過水流量大（17.5 m3/s），工作壓力相對較低（最大為0.46 MPa），相應管徑較大；

2）管線通過的地層大量分部為中強膨脹泥巖，有引起管基變形的特點；

3）在管線局部地段存在具有一定的腐蝕性的地下水并分布；

4）所在地屬于嚴寒地區,晝夜、年度溫差大。

2.2 管材比選

倒虹吸工程在管道的選材方面應遵循總造價最低、維護修理簡便經濟、對地質和地基的適應性相對較強、能滿足抗土壤腐蝕性、適應溫差變幅等原則。

由此，該工程在管材比選中，根據工程特點、倒虹吸水利計算結果和選材所遵循的原則，首先對目前多用的鋼管、PCCP管及RPM管中進行了對比，并主要考慮該倒虹吸低水頭的特點,排除了造價相對較高的鋼管,然后在PCCP管及RPM管中進行了技術性對比，對比情況見表1。

表1 倒虹吸管材比較表

對比結果表明，RPM管具有糙率低的良好水力特性，單管長，重量輕（重量約為PCCP的1/7），長距離搬運或現場施工方便,抗腐蝕能力強的優點。針對該工程砂質泥巖地層段具有膨脹變形特點，相對而言RPM適應地基的變形能力較預應力鋼筒混凝土管強,軸曲變形在1°～3°之間。并且RPM管材具有耐酸、耐堿、無電腐蝕，能夠在一定溫度下輸送有侵蝕性的介質，可直接埋置于高酸性土壤、高鹽性土壤及低比電阻土壤中，無需保護。相比更適合在該倒虹吸管線局部地段存在有一定的腐蝕性地下水情況。倒虹吸管材最終推薦采用RPM管材，其物理力學性能見表2。

3 管道運輸及進場材料檢驗

3.1 管道裝卸與運輸

工程管道生產廠家至安裝現場近400 km。管道裝卸、長距離運輸問題為確保工程質量的關鍵環節之一，因此采取了以下工程措施：

1）管道裝車前將兩端用纖維布封口，以免在運輸過程中灰塵或異物進入管內，擦傷內襯結構。

2）管道內安設4道特制“十”字形鋼支撐，支撐之間用細鋼管連接起來，避免因車輛顛簸支撐傾倒。

3）選擇專用運輸車輛，車上安裝3道與管道同心的弧形鞍座，在弧形鞍座上加裝厚度為5 mm的橡膠板。

4）用3道外套橡膠軟管的鋼索將管道牢固地捆扎到車輛上，確保在運輸過程中不松、不脫。

5）管材裝卸機具的起吊能力必須穩定、安全可靠。起吊設兩個起吊點，嚴禁用繩索貫穿兩端裝卸管材。裝卸吊索應采用柔軟、較寬的繩索,不得用鋼絲繩或鐵鏈直接接觸吊裝管材。裝卸過程中應輕裝輕放，嚴禁摔跌或碰撞。

表2 本工程應用的RPM夾砂管物理力學性能

3.2 進場管材、橡膠圈質量檢測

3.2.1 管材

1）資料驗收項目：每一合格產品的檢驗報告和質量合格證，要求提供產品的其它有關技術文件等。

2）現場驗收項目：查驗每根管材的產品編號、產品合格標志；查驗每根管材的質量跟蹤卡和根交工文件。根據表3的要求，對每根管材進行進場驗收檢查。

3.2.2 橡膠圈

1）資料驗收項目：每一批合格產品的檢驗報告和每一單件的質量合格證，供貨商提供產品的其它有關技術文件，包括材質的理化檢驗報告。

2）現場驗收項目:根據表4的要求，對每根橡膠圈進行驗收檢查。

4 管溝土方開挖及墊層回填

工程區出露地層地表為厚約0.6 m的第三系腐質土,較松散。自下為第三系砂巖和泥巖,屬軟巖。設計管溝底寬5.2 m，邊坡系數m=0.5，一般挖深5.3 m。施工開挖工藝流程為反鏟挖掘機挖裝，自卸汽車運至指定集料區，人工修整邊坡。

管基墊層料為經人工篩分的天然砂礫料，設計厚度0.3 m，回填工藝流程為：裝載機篩分料場挖裝、自卸車運至管溝兩側、人工溜槽下溝、人工攤鋪、灑水（使回填料含水率接近最優含水率7.5%）、14 t振動碾碾壓。

表3 RPM管進場檢查項目表

表4 進場橡膠圈檢查項目表

5 管道鋪設

5.1 管道吊裝

5.1.1 管道吊裝前準備工作

1）排出槽內積水、復合墊層高程、確定管道中線位置;2）清理承口內側和插口外部及放置橡膠圈凹槽內的灰塵、砂子等異物；

3）在兩根管道連接處人工挖一個工作坑,坑的幾何尺寸為長1.6 m、寬1.6 m、深0.2 m；

4）在插口端沿圓周劃3處(管腰2處、管頂1處)導入截止線,以便在安裝過程中檢查連接是否到位。

5.1.2 管道吊裝連接

1）用2臺25 t的汽車吊起吊、人工輔助下溝。兩吊車工作位置為尾部相對,相隔間距7 m，兩吊車中心線應保持與擬安裝管道中心線基本平行，吊車支腿距管溝邊緣不小于1 m，吊裝管道從兩吊車之間縱向穿過，吊車的最大工作幅度控制在9 m以內，操作中臂長17.6～18.0 m，操作過程中不得違反汽車起重機的操作規程。

2）用柔軟的布將管材連接部位擦凈，用中性潤滑劑如硅油、液體凡士林、或花生油涂搽連接部位。

3）將密封橡膠圈涂潤滑劑，并在兩手之間搓動,保證潤滑劑涂覆均勻。

4）把橡膠圈套入插口上凹槽內，沿膠圈四周依次向外拉離凹槽并緩慢放回凹槽，以保證膠圈在凹槽內受力均勻、沒有扭曲。

5）用3根外套橡膠軟管的鋼絲繩捆綁在欲連接的管上，用吊車調整管口高度及擺動管尾，并用3臺6 t的手板葫蘆連接管道，手板葫蘆、鋼絲繩與管身接觸出墊橡膠板以防檫傷管道。

6）管節承插就位后,放松吊索和手板葫蘆，就位的管道經檢查滿足表5的規定后，人工進行穩管。

表5 管道鋪設質量標準表

5.2 接口打壓試驗

接口打壓是檢驗橡膠圈在管道安裝過程中是否脫槽、擠裂的有效方法，因此管節承插就位后必須進行接口打壓試驗，接口打壓按下述要求進行：采用壓力計的精度不低于1.5級，最大量程為試驗壓力的1.3～1.5倍，使用前經過計量濾定；試驗用水為可食用的潔凈水；每個接口均進行接口水壓試驗，試驗壓力為0.72 MPa；保壓3 min，無明顯壓降，無滲漏視為合格。

6 管道回填及豎向撓曲變形監測

管道回填土料有3種，管頂0.3 m以下部分回填經人工篩分的天然砂礫料，管頂以上0.3～1.0 m范圍回填管溝開挖出的白砂巖，管頂以上1.0～2.5 m范圍回填管溝開挖出的除泥巖、腐質土以外的土料；管道回填分為3個區域，管頂上0.3 m以下區域稱為管腔回填區，其中管底至2.25 m高度范圍稱為首次回填區、2.25 m至管頂上0.3 m范圍稱為二次回填區，管頂以上0.3 m至堤頂范圍稱為普通回填區，因各回填區所用材料及施工工藝有所不同，以下分別敘述。

6.1 管腔回填

RPM管道的突出優點是抗腐蝕性能較強，但其抵抗外壓的能力不僅要依靠管道本身的剛度、同時要依靠管腔回填土的側向約束來抵抗外壓力，因此，管腔回填材料、回填質量顯得尤為重要。

6.1.1 回填材料

規劃料場為C49和C51，兩料場土料均為天然砂礫料。其中C49料場位于小洼槽倒虹吸進口建筑物附近，平均運距3.7 km，C51料場位于倒虹吸管線中部附近，平均運距2 km。經料場復查及顆分和擊實試驗,C49料場平均最大干密度2.12 g/cm3、最優含水率8.18%、礫石含量（P5含量，下同）46.95%、儲量不足1萬m3；C51料場平均最大干密度2.14 g/cm3、最優含水率7.77%、礫石含量48.19%、儲量大于30萬m3。兩個料場砂礫料物理力學指標基本相同，儲量能滿足施工需要,施工取料以C51料場為主。

試驗中按設計要求對C51料場分別進行了過10 mm篩和過20 mm篩回填對比試驗,其中過10 mm和20 mm的篩料回填段長都為60 m（5根標準管的長度）。質量控制標準為：最大粒徑不大于10 mm或不大于20 mm、干密度不小于1.9 g/cm3、相對密度不小于0.7。

6.1.2 施工工藝

料場機械篩分、裝載機挖裝、自卸汽車運至管溝兩側、人工溜槽運入溝槽、人工攤鋪（每層虛鋪厚度18 cm）、灑水（含水量控制在最優含水率7.77%附近）、HZD160電動夯板夯6～8遍，圖1所示的腋下三角區，人工用木棒搗實。

圖1 三角區回填方案

6.1.3 注意事項

1）回填前撿除管溝內的磚石、木塊等雜物；

2）回填料應由溝槽兩側對稱運入槽內，不得直接扔在管道上，回填料的含水率應控制在最含水率左右；

3）嚴格控制每層的虛鋪厚度、壓實遍數；

4）管道兩側壓實面的高差不得超過0.3 m，分段回填時，相鄰段的接茬應呈階梯狀，不得漏夯；

5）在回填壓實過程中隨時監測管道的豎向變形，在首次回填區回填高度達到0.7D（D為管道直徑）時，管道的豎向變形率應小于（即豎向直徑增大）或等于零。

6.2 管頂以上0.3～1.0 m區域回填

1）回填材料。為管溝開挖出的白砂巖。經擊實試驗，平均最大干密度1.925 g/cm3、最優含水率10.2%。

2）施工工藝。集料場裝載機挖裝、自卸車運至管溝側、手推車入倉、人工攤鋪（虛鋪厚度18 cm）、灑水（含水量控制在最優含水率10.2%附近）、HZD160電動夯板夯6～8遍。

6.3 管頂1.0 m以上區域回填

1）回填材料。為管溝開挖出的除泥巖、腐殖土外的土料。經擊實試驗,平均最大干密度1.82 g/cm3、最優含水率13.46%。

2）施工工藝。用反鏟挖掘機將堆積在管溝兩側料摔至回填區、山推220型推土機按進占法攤鋪 (每層虛鋪厚度35 cm)、灑水、14 t振動碾靜碾 4～6 遍。

6.4 管道豎向撓曲變形監測

1）管道回填至設計標高后,應在24 h之內測量管道的初始豎向變形值。

2）選安裝后每節管道的2，6，10 m處作為測量斷面監測初始變形。若管道的有效長度在6 m到10 m，取兩個測量斷面，管道有效長度小于6 m的，取1個測量斷面，管道有效長度大于10 m的，取3個測量斷面。

3）管道豎向允許變形值按下式計算：

式中：Dn——管道內直徑，mm；Dn1——管道變形后的豎向內徑，mm；t——管壁厚度，mm。

4）管道初始豎向變形不得大于2%。該工程實測初始豎向變形值在0.34%～0.79%之間，變形滿足要求。

7 系統水壓試驗

按GB50268－97《給水排水管道工程施工及驗收規范》的規定,管道安裝過程中必須進行強度試驗和嚴密性試驗。該工程依照規范要求,試驗介質采用淡水，試驗壓力為設計工作壓力的1.5倍、即0.69 MPa。試壓段長度分為10段進行。其中，左管5段,右管5段，段長在1 km左右。右管線典型段位于 4～9 號鎮墩、9～13 號鎮墩、13～15 號鎮墩、15～18號鎮墩之間,段長分別為 1 222，1 289，866，845 m。左管線典型段位于4～9號a鎮墩、9a～15號鎮墩之間，段長分別為1 272 m和2 105 m。系統水壓試驗結果表明，RPM管道安裝后其強度和嚴密性滿足工程要求。

8 結語

1）遠離城鎮、人煙稀少的嚴寒荒漠腹地帶，長距離大型倒虹吸對大口徑RPM管的合理選用，并采取的整套獨特的施工工藝、質量控制、質量監測方法,使得此倒虹吸工程更為適應所處特殊環境,帶來施工便利,并確保了工程質量。

2）該工程是目前國內口徑最大的RPM倒虹吸管道,工程施工及應用實踐表明,只要設計結構合理、質量控制措施到位,在特殊環境的大型工程選用RPM管具有一定的其它管道無法比擬的優越性。

［1］魏鵬.長距離玻璃鋼加砂管安裝技術與應用［J］.山西建筑，2008，34（23）.

［2］鄭升峰.簡談玻璃鋼加砂管在供水工程中的應用.甘肅科技縱橫［J］.2005，34（23）.