舊院水庫供水工程管材比選和水力設計

摘 要：舊院水庫工程為貴州省水利生態建設石漠化治理“三位一體”綜合規劃建設的骨干水源工程之一，工程任務為農田灌溉、工業供水兼農村人畜飲水。文章以貴州省六枝特區舊院水庫工程為例，對水利工程中常用輸水管材焊接鋼管、球墨鑄鐵管、預應力混凝土管（PCCP）、玻璃夾砂管（GRP）進行了技術經濟比較，介紹了玻璃夾砂管水力學計算過程，提出玻璃夾砂管在舊院水庫供水工程中是一種適用性較強、經濟合理的管材。

關鍵詞：貴州省；玻璃夾砂管（GRP）；比選；設計

1 工程概況

六枝特區舊院水庫位于六盤水市東部，距省會貴陽市174km，工程主要任務為灌溉新場鄉、巖腳鎮的耕地4.15萬畝，并向六枝特區中心城區提供3.40萬m3/d的生活、生產用水。水庫總庫容1458萬m3，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高41.50m。總干管管首設計流量為2.494m3/s，總干管后分左、右輸水干管，左干管農田灌溉輸水，右干管農田灌溉兼城市供水，右、右干管總長20.7km。

2 常用的輸水管材

2.1 焊接鋼管

焊接鋼管通常選用Q235-C（A3）鎮靜鋼鋼板制作，其優點是強度高，管材及管件易加工，可現場卷板加工，管廠建設周期短，特別是地形復雜的地段，可根據地形的起伏制作相應的連接件，使用靈活。但鋼管的剛度小，易變形，襯里及外防腐要求嚴，必要時需作陰極保護，施工過程中組合焊接工作量大，焊縫探傷工作量大，與其它壓力管相比，施工造價較高。

2.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管已大量使用在城市供水管網中。其優點是延伸率、剛度、抗拉強度均較大，承受土壤靜荷載及地面動荷載的能力通常比其它管材強，襯里和管壁外表面不需另作防腐，采用承插式接口，組裝工藝成熟，可承受內水壓力超過2.5MPa以上，使用壽命通常有50～100年，比化學管材及鋼管使用壽命長；其缺點是只能提供標準管件，單管重量大，同直徑、同內壓單位長度管重比鋼管重1.35倍，在野外交通條件不便的情況下二次搬運費用高，安裝不便。

2.3 預應力混凝土管（PCCP）

PCCP管是我國于20世紀90年代初從美國引進的新型管材生產技術，采用新型復合材料，其工作原理是：將預應力鋼絲按設計拉應力和螺距連續均勻地纏繞在混凝土管芯上，使其處于壓應力狀態，能夠平衡內部壓力或外部荷載而不破裂。在2000年以來，PCCP管廣泛用于水利、電力、市政和自來水供水主管項目上，其中南水北調工程北京段采用了DN4000mm的PCCP管，為國內同類管道最大口徑。其主要優點有材料單價低、采用承插式接口，安裝方便；其缺點主要是PCCP管容易發生的空鼓問題，尤其是離心成型的管材。該管材的混凝土與水泥砂漿表面的裂縫較難控制，且標準管件重量大，比同管徑、同壓力作用下的鋼管重2.8倍，運輸困難，施工難度大。

2.4 玻璃夾砂管（GRP）

玻璃夾砂管又稱玻璃纖維增強樹脂塑料管。大口徑夾砂管在源水引用管道上，國內外使用較多。它重量輕，強度高，抗腐蝕，易安裝，水力性能優異，糙率僅0.009，而且管徑越大其優勢越明顯；其缺點為剛度小，管道基礎要求較嚴，必要時需作砂墊層，對回填料和壓實度有非常嚴格的要求，玻璃夾砂管破裂維修，通常采用玻璃鋼粘補，它必須在干燥的環境下作業，野外工作困難。

3 管材比選

3.1 鋼管和預應力砼管比較

目前使用的預應力砼管公稱壓力在0.2～1.0Mpa，因此僅水頭在1.0Mpa以下考慮預應力砼管，對于高于1.0Mpa以上水頭的管道，按壓力要求直接采用焊接鋼管。

可以看出雖然預應力砼管比鋼管重，但價格便宜，綜合下來0.2～1.0Mpa采用預應力砼管比鋼管經濟。

3.2 鋼管和球墨鑄鐵管比較

球墨鑄鐵管和鋼管單價相當，但球墨鑄鐵管施工方便，對同樣管徑的管道，應選擇單位重量較輕的材料，由上表不難看出Φ800mm的管道，球墨鑄鐵管重量較大無優勢，本工程仍選用焊接鋼管。

3.3 鋼管和夾砂管比較

鋼管和夾砂管比較，目前使用的夾砂管公稱壓力在0.6～2.5Mpa，因此兩者都能滿足本工程的要求。

管材比較表

鋼管和夾砂管的壁厚相當，采用夾砂管根據水力計算管徑只需要700mm，從上表不難看出夾砂管從重量和價格上要優于鋼管，只是存在施工復雜等因素，綜合考慮下來夾砂管比鋼管要經濟。

3.4 預應力砼管和夾砂管比較

從上表可以看出預應力砼管比夾砂管重，管徑大，目前使用的預應力砼管公稱壓力在0.2～1.0Mpa，在同等公稱壓力下夾砂管比預應力砼管造價低，綜合考慮下夾砂管比預應力砼管經濟。

綜上所述，從管道壓力要求、經濟性及安全運輸條件等綜合考慮，本工程供水管道以夾砂管為主，局部隧洞明管段采用預應力混凝土管。

4 水力設計

4.1 管徑計算

輸水管采用夾砂管和混凝土管，考慮24小時輸水，管道的直徑根據技術經濟條件結合運用情況來綜合選擇。按管徑計算經驗公式進行初估。4.3 水擊計算

有壓管道系統中，由于水力控制裝置迅速調節流量（如關閉閥門），管道內流速相應地急速變化，致使管道內水流也相應地急劇升高或降低，并在管道內傳播，這種現象稱為水擊（或水錘）。在有壓管道系統必須對水擊進行計算，以保證管道運行安全。計算公式采用《水工建筑物荷載設計規范》中附錄E，計算結果為（見表3）。

4.4 減小水擊壓力措施

水錘現象的本質主要是管道內水流動量變化引起的，單位時間動量變化越大，水流產生的沖擊波越大；動量變化的實質是流速的改變，而流速的改變取決于閘閥關閉時間的長短，即閘閥關閉時間的長短對水擊壓力影響非常大。

根據以上計算結果可以看出，閘閥關閉的時間對水擊壓力影響非常明顯，因此延長閘閥關閉時間是行之有效的減小水錘壓力措施；事實上，當關閉時間足夠長時，水錘壓力很小甚至可以忽略不計。本工程閘閥均為手動控制，為減小水錘壓力值，充分延長閘閥關閉時間可以做到的。但結合實際情況，不可能用很長時間來關閉閥門，本工程將閥門關閉時間控制在2分鐘以內即可滿足運行安全要求。

本工程是采用重力流輸水方式，輸水管道內各流速均在3m/s以內，依據中國工程建設標準化協會標準《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》（CECS193；2005）中第3.25節中第2條：“重力輸水管道的最大流速不宜大于3m/s。當流速大于3m/s時，應經過水錘分析計算設置減壓想能裝置和其他水錘防護措施。”因此，對于本工程而言，各管道流速均小于3m/s，再延緩閥門關閉時間，在管道末端不會產生過大的水擊，不需要設置專門的水錘防護裝置。

在管道的結構計算中，依據既要充分考慮水擊作用確保管道安全運行，又要考慮節約材料，節省投資。根據水擊計算成果，取靜水頭的20%作為水擊升高值考慮是可以滿足安全要求的。

5 結束語

文章通過舊院水庫供水工程各種管材技術、經濟比較及水力學計算進行了介紹，我們對舊院水庫供水工程有了初步了解。由于每個工程所受工程地形、地質條件限制，其具體比選和設計會有所不同。在具體的工程環境下，應結合具體的情況，合理比較輸水管材、對管線設計進行比選，使項目發揮最大經濟效益。

參考文獻

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作者簡介：吳春占（1980-），男，工程師，從事水利工程建設和管理工作。