稔平半島供水工程管材選擇的經濟分析

丁 輝

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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稔平半島供水工程管材選擇的經濟分析

丁 輝

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

介紹了常用供水管材的性能及稔平半島供水工程的概況,推導管道單位成本計算公式，對水利工程供水中常用管材——球墨鑄鐵管(DIP)、鋼管(SP)和預應力鋼筒混凝土管(PCCP)進行比選。得出在小管徑情況下,球墨鑄鐵管相比鋼管和預應力鋼筒砼管有經濟優(yōu)勢。但作為長距離的供水工程, 供水結構形式及管材應因地制宜,采用多種方式,做到可靠經濟。

球墨鑄鐵管；供水工程；管材比選；經濟性分析

我國水資源區(qū)域分布不均衡,同時水污染嚴重,可利用水資源不足影響著我國社會經濟水平的長遠發(fā)展。因此,建設安全、高效的供水工程是緩解我國水資源地域分布不均、促進社會經濟協(xié)調發(fā)展的有效辦法。

在供水工程中,管道投資在工程總投資中占有很高比例,而管材費用約占管道投資的50%左右,因此,管材選用是供水工程中重要的環(huán)節(jié)。本文通過對廣東省惠州市惠東縣稔平半島供水工程的管材經濟性分析,說明球墨鑄鐵管、鋼管和預應力混凝土管在本工程中的經濟性及適用性。

1 常用管材介紹

供水工程中常用管材主要有3種：球墨鑄鐵管(DIP)、鋼管(SP)、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)。球墨鑄鐵管早期由于技術及材料原因造成價格較高,近期因國內外鋼材價格走向下跌,在供水工程中增加選擇比例；鋼管的外壓內壓比較高,接口采用焊接方式,內外壁要作防腐處理,由于近期國內鋼材下跌,鋼管的價格也具有優(yōu)勢；預應力鋼筒混凝土管價格一直較低廉,由于較笨重及質量難以保證,除了較大口徑外,中小口徑適用正在逐步淘汰中。

2 工程概況

稔平半島供水工程主要任務是從惠州西枝江取水,經輸水建筑物和泵站,將水送至虎坑水庫,為沿海的平海發(fā)電廠及巽寮旅游區(qū)等需水對象供水,并兼顧著稔山、鐵涌、平海和港口四鎮(zhèn)等沿線綜合補充用水。

稔平半島供水工程取水口位于西枝江鯉魚嶺,供水設計水平年為近期2020年,遠期2030年,設計引水流量為5.2 m3/s,輸水線路總長為62.300 km。

本工程等別為Ⅱ等,主要建筑物級別為2級,次要永久建筑物為3級,臨時建筑物為4級。主要建筑物包括：鯉魚嶺取水泵站、黃坑泵站前池土壩、黃坑加壓泵站、輸水隧洞、輸水管道、調壓塔、量水間等。總平面布置如圖1所示。

圖1 總平面布置示意

3 管材選擇

3.1 管道單位成本計算公式推導

供水管道的合理選擇,除了需要保證其安全性,延長使用壽命外,管道工程投資是必須重點考察的問題。

供水工程的管道投資占有很大比重,因而在供水工程設計中需采用優(yōu)化計算方法,在計算中涉及到管道單位成本計算公式,不同地區(qū),不同管材計算公式是不一樣的,由于資料收集的限制,僅推導了鋼管(SP)、預應力鋼筒砼管(PCCP)、球墨鑄鐵管(DIP)3種管道的單位造價公式,提供1種管道單位成本計算公式的推導方法。

3.1.1 惠州地區(qū)相關資料

惠州地區(qū)各種供水管材及常規(guī)材料人工價格如表1、表2所示。

表1 管材價格

表2 規(guī)則材料人工價格

3.1.2 管道成本的計算原理

根據《給水排水設計手冊》第十冊：技術經濟冊(第二版)給出的投資估算的方法,利用原始資料和手冊中提供的數據，計算給水管道各種管材標準管徑的單位成本。 包含施工安裝費的管材造價如表3所示。

表3 包含施工安裝費的管材造價

3.1.3 管道單位成本公式中參數的確定

由于資料收集限制,本文僅推導了鋼管(SP)、預應力鋼筒砼管(PCCP)、球墨鑄鐵管(DIP)3種管道的單位成本計算公式。

管道單位成本公式一般以c=a+bDα形式表示[2]其中各參數的計算步驟如下：

1) 以表3中的單位造價為縱坐標,以管徑為橫坐標,將各管對應的造價點繪在方格紙上,將各點連接成平滑的曲線并延伸到y(tǒng)軸(D=0)上,與y軸交點的縱坐標即為a值。

2) 用最小二乘法[3-4]求解b、α值：

將c=a+bDα移項變換為c-a=bDα,兩邊取對數得：

lg(c-a)=lgb+αlg D

令 A=lg(c-a),B=lgb,d=lg D 則：

A=B+α d

式中 i為某種管道的管徑規(guī)格數。

整理后得：

3) 3種管材單位成本公式

由以上計算可求得3種管材單位計算成本公式(c=a+bDα)：

鋼管c=160+3117D1.549

(1)

球墨鑄鐵管c=80+3205D1.394

(2)

預應力鋼筒砼管c=80+2467D1.466

(3)

3.2 管材投資比較

根據推導公式計算管材投資比較如表4所示，其柱狀圖見圖2所示。

表4 管材投資比較

圖2 管材投資比較示意

長距離的供水工程,供水結構形式及管材應因地制宜,分段布置,采用多種方式組合,且供水管線經濟實惠安全得到保障。根據《室外給水設計規(guī)范》(GB50013),結合本工程地基以及管線沿公路邊敷設的情況,以及考慮供水安全和節(jié)省工程投資,經過綜合分析,本工程推薦分段使用不同的輸水管道結構形式及管材。

根據管材經濟性和耐久性等特點,本工程鯉魚嶺泵站至黃坑水庫前池埋管段,主管材使用PCCP,利用其造價低、性價比高的優(yōu)點；高速公路頂管、跨渠道及公路下埋管采用鋼管,利用其適應變形能力強、管道無滲漏的優(yōu)點。

黃坑水庫前池至虎坑水庫和平海支線段管道,由于管徑小,采用球墨鑄鐵管,該種管材小管徑在價格上比PCCP管有優(yōu)勢。

3.3 管徑比選

1) 輸水管徑的選擇原則

本供水工程為長距離的輸水工程,需要加壓的輸水主管為鯉魚嶺取水泵站至黃坑水庫前池,管線長41.050 km輸水主管徑的選擇以供水工程的總投資現值最省為原則。黃坑水庫前池至虎坑水庫,管線長15.920 km；平海支線管線長5.33 km；根據地形前高后低的特點,且前端設置有高位水池,管徑在滿足自流能力條件下,復核水利坡度線滿足在管頂以上2 m的條件下選定,該段管徑的確定從兩個方面考慮,一是滿足自流流量要求,二是不小于不淤流速。

2) 輸水管徑比選

① 鯉魚嶺泵站至黃坑泵站前池段管徑比選

鯉魚嶺泵站至黃坑泵站前池管線長41.050 km,總管設計流量為5.2 m3/s；沿線分水有稔山鎮(zhèn)和鐵涌鎮(zhèn),分水流量大,故供水管徑的選擇應根據分水狀況,采用組合管徑進行比選。本段管徑需變徑2次,即只考慮在稔山分水口后開始變徑1次,在鐵涌及惠州分水口后變徑1次。稔山鎮(zhèn)用水由稔山分水口分出1.41 m3/s,鐵涌鎮(zhèn)用水由鐵涌及惠州分水口分0.94 m3/s。故方案比選時,各段長度及流量為：鯉魚嶺泵站至稔山分水口,設計流量為5.2 m3/s,長度18.654 km(含隧洞長)；稔山分水口至鐵涌及惠州分水口,設計流量為3.79 m3/s,長度22.396 km(含隧洞長)。鐵涌及惠州分水口至黃坑水庫,設計流量為2.85 m3/s,長度0.652 km。因鐵涌及惠州分水口至黃坑水庫段線路僅有652 m,不考慮該段的組合管徑進行比選。選用比稔山分水口至鐵涌及惠州分水口小一等級的管徑。

根據取水口至黃坑水庫沿線地勢條件,沿輸水方向,石井村(樁號A22+360)前后地勢差別大,特別是4#碧山隧洞以前,山地較多,埋地管道沿線地面標高大多在高程30 m以上,故管徑的選擇還需考慮沿線的地勢條件,即使輸水管道埋深滿足最低壓力線高于管頂2.0 m的要求,又不能使管道埋深過大,增加工程投資。

經比選,本段管徑組合初定為：方案一,D2 200+D1 800；方案二,D2 000+D1 800；方案三,D2 000+D1 600。 3個組合方案總投資現值比較見表2～4。

表5 鯉魚嶺泵站至黃坑泵站前池段管徑總投資現值比較

表5比較成果顯示,方案一水頭損失小,泵站揚程低,年運行費用省,但隨著管徑的加大,管道1次性投資大；方案三水頭損失大,需要泵站揚程高,運行費用高；方案二費用現值最小,是最經濟合理的方案,故予選用。

② 黃坑泵站至虎坑水庫段管徑比選

黃坑泵站為二級提升泵站。由于從隧洞進口牛牧坑至隧洞出口赤竹排一帶地形高,原水經泵站提升到高位調壓塔(調節(jié)池)內,然后自流至虎坑水庫和平海水廠交水點。6#隧洞與7#隧洞地面高程在39～42 m之間,而出口約1 km管線地面高程在30.0～34 m之間。因此,隧洞高程應盡可能低,最低按出口段1 km管道中心線高程,即隧洞出口中心線高程為30.0 m,該處壓坡線高程為33.0 m,則設計流量下求得黃坑調壓塔的最低運行水位為33.1 m。7#隧洞出口后管徑按滿足自流條件求得D1 400即可。往平海方向管徑根據地形前高后低的特點前2 km為D900,2 km以后為D700。

4 結語

1) 根據搜集到的相關資料,推導出了預應力鋼筒砼管、球墨鑄鐵管及鋼管3種管材單位成本計算公式。

2) 通過對比得出,管徑DN 900～1 200,球墨鑄鐵管較為經濟；管徑DN 1 400～2 000,預應力鋼筒砼管較為經濟。

3) 在滿足自流流量要求和不小于不淤流速的前提下,供水管徑的選擇應根據分水狀況,采用組合管徑進行比選。

[1] 潘一毅.預應力鋼筒砼管回顧與展望[J].砼與水泥制品,2004(6):30-31.

[2] 嚴世煦,范瑾初.給水工程[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[3] H.Tong， K.S. Lim.Threshold Auto regression,Limit Cycles and Cyclical Data[J].Journal of the Royal Statistical Society,1980,42(3):245-292.

[4] WS Cheung,Hs Kwon, KA Park,JS Paik.Acoustic flow- meter for the measurement of the mean flow velocity in pipes[J].Journal of the Acoustical Society of America,2001,110(5):2308-14.

(本文責任編輯 王瑞蘭)

Economic Analysis of Pipe Selection in Water Supply Project of Renpin Peninsula

DING Hui

(Guangdong Hydropower Planning & Design Institute, Guangzhou 510635,China)

Property of water supply pipe material and engineering situation of Renpin peninsula are introduced. Calculation formula of pipe unit cost are deduced and comparison and selection are made between ductile iron pipe(DIP) and steel pipe(SP) which are commonly used. It is concluded that under the condition of small diameter, compared to steel pipe and prestressed steel cylinder concrete pipe, ductile iron pipe has economic advantages. But as a long distance water supply project, water supply structure should adjust measures to local conditions and use a variety of types to ensure water pipeline to be both safe and economic.

ductile iron pipe; diversion project; comparing and selection of pipe; economic analysis

2016-01-06;

2016-02-15

丁輝(1982),男,本科,工程師,從事工程造價研究工作。

TU991.36

B

1008-0112(2016)03-0046-04