淺談灌溉項目重力流輸水管材選用

劉鵬舉

（甘肅省水利水電勘測設計研究院 甘肅 蘭州 730000）

1 概況

甘肅省古浪縣黃花灘項目是一項中型水利工程，屬于生態移民暨扶貧開發項目，為新開發的農業灌溉工程。灌溉管網由干管、分干管、支管3級管道組成，采用全管道輸水方案，管網總長達到108.40km，可控制的灌溉面積達到8.62萬畝，其中先期實施南北分干和南三支渠，均采用用重力流方式輸水。

南三支從南分干樁號4+696處取水，支管總長8.052km，控制面積達到1.35萬畝，總落差為74.18m。

2 管材及性能介紹

黃花灘項目基于長距離輸水工程的情況，結合實際需要擬采用鋼管、硬聚氯乙烯管、預應力鋼筋混凝土管、離心球墨鑄鐵管、抗沖改性硬聚氯乙烯管5種管材，各種管材的基本情況及性能介紹如下：

2.1 鋼管

由于鋼管耐高壓、韌性好、管壁較薄、管段較長，同時由于接頭少、運輸起來比較方便，在施工的時候使用方便、建設周期短，適合于復雜地勢條件，也可用于穿越障礙建筑物。鋼管也有顯而易見的不足之處，壁厚較小的鋼管剛度小，焊接處的接頭如有質量問題較難發現，另外，鋼管對襯里及外圍的防腐要求嚴格，而且必要時必須進行陰極保護，當然，鋼管的造價相對較高。

2.2 離心球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管兼具鋼和鐵的特點，其強度高、延伸率都比較高，耐腐蝕性也比較好，使用壽命長，橡膠圈柔性接口密封效果好，適用于各種地基情況，內、外壓承受能力強，同時，鑄鐵管還備有各種配件，適用于管道轉彎、變徑、分岔和各種閥門位置的連接，便于管道連接。缺點是管道造價相對較高且輸水過程中管壁易產生腐蝕餾。[1]

2.3 硬聚氯乙烯管（PVC-U）

硬聚氯乙烯管（PVC-U）的優點是具有較高的硬度、剛度和許用應力，抗老化能力好，經久耐用，壽命可達50年，耐腐蝕，價廉，易于粘接、承插連接，可回收，安裝方便簡捷，密封性好。在小口徑管材中具有一定的競爭力。缺點是由于其抗外壓性能不太好，PVC-U管埋設較深時容易變形。因此，硬聚氯乙烯管適合于淺埋，并且只能滿足頂部荷載較小的情況（例如：過車等）。

2.4 抗沖改性硬聚氯乙烯管（PVC-M）

相對PVC-U管而言，PVC-M的管材抗水錘等沖擊荷載的能力較好，并且重量輕，運輸較為方便，具有較好的運行安全性。缺點是大口徑的抗沖改性硬聚氯乙烯管工作壓力較低，不具備很好的抗外壓穩定性能，當在地下埋設的時候，比較容易發生變形破壞。[2]

2.5 預應力鋼筋混凝土管

從生產工藝來看，其可以分為三階段應力管和一階段應力管兩種。其優點是加工的工藝簡單，造價比較低。同金屬管材相比，其耐腐蝕能力強，內壁不容易結垢，輸水能力不易隨時間下降，也不會引起水質變化。相對于鑄鐵管而言，其安裝更為簡單，工程質量可控，成本較低。但缺點是其重量大、易碎、管身易斷裂，安裝和運輸均比較困難，且由于內壓承受能力不強，輸水時安全性不佳，并且使用壽命也比較短。

3 管材規格選擇

3.1 管徑計算

南三支樁號 0+000～5+837段（5.837km）設計流量為 0.421m3/s；樁號5+837～8+052段（2.215km）設計流量為0.274m3/s。

管道管徑參照《灌溉與排水工程設計規范》（GB/T 50288-99）按式3-1計算：

式中：D——管道內徑(mm)；

V——經濟流速(m/s)；

Q——設計流量(m3/h)，取1.2。

根據式3-1計算所得管道最小內徑分別為668.52mm、539.32mm。

3.2 水力學計算

按照《灌溉與排水工程設計規范》（GB/T 50288-99）的相關條款規定，管道沿程水頭損失的計算公式見式3-2（其中：局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算）。計算成果如表3-1所示。

式中：hf——管道沿程水頭損失（m）；

f——摩阻系數；

Q——流量（m3/h）；

m——流量指數；

L——管道長度（m）；

表3-1 力學計算成果

b——管徑指數；

d——管道內徑（mm）；

表3-2 管道規格選擇表

表4-1 管材經濟比較表 （元/m）

表5-1 管材環剛度列表

表5-2 管道最大覆土深度計算結果

表5-3 管道環剛度校核計算表

3.3 管材規格確定

根據3.1節和3.2節計算結果，結合各種管材現有公稱壓力等級和規格尺寸，最終確定的各種管材的公稱壓力等級和規格如表3-2所示。

4 管材經濟比較

根據上述結果，發現擬采用的5種管道，除預應力砼管外，其余管材均符合水力學要求，但還需要進行經濟比較。為使經濟比較結果有可信度，比較以相同設計條件（流量、壓力）下，以南三支渠前段5.837km（樁號0+000～5+837段）的管道為比較對象，進行經濟比選。由于各種管材管徑相差不大，因此土建費用不計入總價進行比較。而對于管材單價而言，則根據國內多家廠商的市場報價（工地價）進行分析，再進行確定。具體結果詳見經濟比較表。

從表4-1可以看出，四種管材中，鑄鐵管和PVC-M管道價格相對鋼管和PVC-U管價格較低。

5 管材抗外壓穩定性分析

由于其他兩種管道價格高出PVC-M管和鑄鐵管較多，所以設計中不考慮選用；因此，僅對PVC-M管和離心球墨鑄鐵管進行力學性能方面的分析比較。

由于項目管線需要穿越西氣東輸管線及金大快速通道，因此對管材的埋置深度有要求，對管材的抗外壓穩定性能要求較高。本節分析計算了該項目管道的最大埋置深度，以及在正常埋深、滿足過車要求的情況下管道的最小環剛度。

5.1 管道環剛度確定

環剛度計算公式如式5-1所示，根據其計算的兩種管材環剛度如表5-1所示。

式中：S——環剛度（kN/m2)；

E——材質彈性模量（MPa）；

I——每單位長度管壁的二次面積矩（mm3）；

e——管壁的厚度（mm）；

D——管的平均直徑（mm）。

球墨鑄鐵管環剛度計算值大于規范GB/T 13295-2008給定值，因此，后續計算均取規范給定值。

5.2 最大覆土深度計算

根據《給水排水工程結構設計手冊》第二版的有關條款規定，球墨鑄鐵管道和抗沖改性硬聚氯乙烯管都為柔性管。其抗外壓穩定的計算公式為：

式中：ωd,max——管道在準永久組合作用下的豎向最大變形；

DL——變形滯后效應系數，本次計算取1.5；

kd——豎向壓力作用下柔性管豎向變形系數；

D1——管道直徑（mm）；

Fsv,k——管頂豎向土壓力標注值；

Ed——管側土的綜合變形模量（N/mm2）；

Sp——管材環剛度（N/mm2）。

φq——荷載系數；

qvk——地面車輛荷載或堆積荷載在管頂豎向壓力標準值（KN/m2）；

由式1可以看出，柔性管道抗外壓穩定性能與其環剛度Sp有直接關系，dn800 PN1.25的PVC-M管環剛度為7.9kN/m2，K9級DN700的離心球墨鑄鐵管的環剛度為34kN/m2。

在相同設計條件下（流量、壓力等級），對PVC-M管和K9級離心球墨鑄鐵管的管頂最大覆土深度進行了計算（樁號0+000～5+837段），其結果如表5-2所示：

由此可見，在相同設計條件下，離心球墨鑄鐵管的抗外壓穩定性能要遠遠大于PVC-M管。

5.3 設計埋置深度下管道最小環剛度

球墨鑄鐵管、PVC-M管道在滿足最小設計埋深，有過車的情況下，管道會發生變形，為了防止發生變形破壞，本文計算了這兩種管道在設計埋深下有汽車荷載作用時的最小環剛度，而管道計算環剛度S見表5-1。

按照《給水排水工程埋地球墨鑄鐵管道結構設計規范》（CECS142-2002）4.2.3節規定：

式中：Fsv,k——豎向土壓力標準值（KN/m）；

γs——土容重（KN/m3）；

Hs——管頂覆土厚度（m）；

而ωd,max=εD1式5-4

式中：ε——管道允許徑向變形（%）

根據式5-2、5-3、5-4聯合可以得出：

由式5-5可以看出，管道滿足設計最小覆土深度下，最小的環剛度與管徑無關。根據《公路工程技術標準》（JTG-B01-2003），汽車荷載取為公路II級標準，經計算在管頂覆土1.5m的情況下，要滿足過車要求，其管材的環剛度必須滿足≥3.6kN/m2。

由下表5-3可以看出，在設計最小埋深下，兩種管材均能滿足過車要求。

6 管材確定

由第4節經濟比較結果可知，在滿足工程設計要求的情況下，僅南三支渠前段5.837km（樁號0+000～5+837段）球墨鑄鐵管道較PVC-M管就節約了造價105.6萬元。

由第5節外壓穩定分析結果可知，兩種管材均能滿足工程技術要求，但球墨鑄鐵管道具有更明顯的優勢。

黃花灘灌區屬中型重力流灌區，管線壓力大、長度長，且斗口眾多，運行工況復雜，根據委托武漢大學對黃花灘管網進行的水力仿真計算結果，南三支渠瞬態工況下最大水頭達到109.51m，對管材壓力等級要求較高[3]。

因此，綜合考慮后，采用離心球墨鑄鐵管道作為南三支渠設計管材。

7 結語

目前，黃花灘項目南三支渠工程已建成通水運行，管道運行情況良好，為當地移民開發提供了可靠的水源保障，取得了良好的經濟效益。

從本工程來看，對于重力流輸水的灌溉用地埋管道管材選用思路，主要考慮在滿足工程設計要求、價格相近的前提下，優先選用環剛度較大的管材。陜西水利

[1]高長全.抗沖改性硬聚氯乙烯壓力管道(P V C-M)的開發與應用[J].國際塑料管道交流會（北京），2009.

[2]蔣勁.黃花灘輸水管網水力仿真計算設計報告[S].武漢，2012.