多種管材在宿遷市尾水導流工程中的應用

陳 鷗，徐子令，段育慧

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

長距離輸水工程，管材的選擇至關重要，它既要保證供水系統安全，又決定工程造價和運行經費。目前國內用于輸水的管道主要有：鋼管、球墨鑄鐵管、聚乙烯管、預應力鋼筒混凝土管和玻璃鋼夾砂管等。不同管道根據工作壓力、流速、現場條件、施工方案等擇優選用。

1 工程概況

宿遷市尾水導流工程為南水北調東線工程配套工程之一，是保障南水北調東線工程輸水安全的重要舉措。工程通過新建尾水導流管線將宿遷市12座污水處理廠的尾水輸送至新沂河北偏泓，最終東流入海，保證宿遷市工農業生產和人民生活用水安全。尾水導流主線沿“經四路-富民河-通湖大道-開發區大道-宿新高速-新沂河-北偏泓”布置，富春紫光、宿豫、陸集、張家港宿豫工業園區與宏信等5座污水處理廠通過支線接入。線路總長度約69.7 km，管道總長約91.7 km，管徑DN500～DN1500。全線管道均為有壓流，設計圍壓1.0 MPa。根據沿線尾水匯入情況，主支線設計輸水規模由1.5萬m3/d逐漸增至28.6萬m3/d。為滿足工程運行調度管理與輸水需要，工程新建2座尾水調度泵站與5座廠內尾水提升泵站[1]。

2 管徑確定

管徑選擇的影響因素主要為管道輸送流量和流速。一定年限內管網造價和管理費用之和最小時的管道流速為經濟流速。對于管道設計輸送流量已確定的各管段，流速大小直接決定了管徑大小。根據工程經驗，管徑為100～400 mm，經濟流速為0.6～0.9 m/s；管徑大于400 mm，經濟流速為0.9～1.4 m/s。大管徑取大值，小管徑取小值。各管段最終確定的管徑如表1。

表1 主支線管段管徑采用表

續表1

3 管材選用

工程管線均沿路邊敷設，城區段主要受景觀綠化帶、河濱帶、民房、廠房等影響，非城區段主要受水田、旱地、魚塘、宅基地等影響。管線穿越重點河道，如古黃河、京杭運河與新沂河；穿越重點道路，如S49新揚高速、徐淮公路與宿遷北高速匝道。管線主要施工方式有開挖、牽引管(DN500～DN600)、頂管(DN1000～DN1500)與沉管(僅穿越新沂河)。根據尾水導流沿線輸水規模、所采用的管徑及施工方式選擇不同的管材。

3.1 玻璃鋼夾砂管(RPMP)

玻璃鋼夾砂管應用在尾水導流設計管徑DN500與DN600的平地開挖施工管段，管道長共計14764 m。根據尾水導流已實施工程運行經驗，大口徑的玻璃鋼夾砂管抗外力能力較差，經常因受外力破壞而更換；小口徑管材受外力破壞影響較小。本次開挖管溝按照各分區壓實度要求進行回填，若基底淤泥較深且無法完全清除，則采用50 cm厚塊石擠淤。玻璃鋼夾砂管開挖敷設斷面見圖1[2]，其余管材挖填施工均可參照此圖。

圖1 玻璃鋼夾砂管開挖敷設斷面圖(單位：cm)

3.2 預應力鋼筒混凝土管(PCCP)

預應力鋼筒混凝土管應用在尾水導流設計管徑DN1000～DN1500的平地開挖施工管段，管道長共計75 424 m。預應力鋼筒混凝土管是由薄鋼板、高強鋼絲和混凝土構成的復合管材，充分發揮了鋼材的抗拉、易密封和混凝土的抗壓、耐腐蝕性能。預應力鋼筒混凝土管多為大口徑管，一般管徑為DN1400～DN3000，管體自重較重，管摩阻較大。施工時應綜合考慮運輸條件、現場地質及施工方案等。本次選用預應力鋼筒混凝土管需內襯玻璃鋼材質，降低摩阻系數，減少運行成本。

3.3 鋼管(SP)

本工程中所使用鋼管管徑為DN1000～DN1500，使用情形有如下三種：(1)用作頂管穿越市級(市管)及以下等級道路與河道，如穿越箭鹿大道、民便河等，共計34處，管道長3991 m。(2)用于開挖埋設穿越省級及以上等級的堤防與可斷流施工的河道，如新沂河南堤、古黃河等，但需對鋼管進行C30鋼筋混凝土包封，共計7處，管道長940 m。(3)用于沉管穿越新沂河砂溝，管道長572 m。鋼管在抗彎、抗拉、韌性、耐沖擊、耐震動等方面有很大的優勢，但耐銹蝕性差。本次鋼管管材選用Q235B，管道連接采用焊接方式，

對接焊縫采用X形坡口焊縫型式，對接管口的中心線偏差不得大于1.0 mm，對接管節的管口平面偏差不得大于1.5 mm。頂管時管道外壁采用熔結環氧粉末防腐，層厚不小于400 μm；開挖時采用IPN8710系列互穿網絡防腐涂料對鋼管內外進行防腐處理，刷涂或噴涂厚度不小于500 μm。

3.3.1 頂管施工

根據施工需要，在管道上預留注漿孔，以便頂管施工減小頂進阻力，或增加中繼間。在頂進過程中，須連續不斷壓注觸變泥漿(主要為膨潤土)以減少摩阻力和支護土體控制地面沉降雙重作用。頂管進入接收井后，應用M15水泥砂漿置換觸變泥漿，確保頂管管道與周圍土層結合緊密，以截斷地下水沿管壁的滲流通道。壓注水泥砂漿后，注漿孔采用鋼板焊接封堵。鋼管頂管注漿斷面，見圖2。

圖2 鋼管頂管注漿斷面示意圖

3.3.2 開挖包封

以雙管穿越古黃河為例，兩管外徑間距1.00 m，C30鋼筋混凝土包封厚度0.25 m，管頂埋深不小于1.00 m，包封頂高程以下開挖管溝采用壓實度為0.95的黏土回填，包封頂高程以上至河灘現狀底高程采用10%水泥土回填，見圖3。

圖3 古黃河鋼管包封敷設斷面圖(單位：cm)

3.3.3 沉管穿越新沂河砂溝

鋼管采用Q345B鋼，壁厚18 mm。管道布置二道，并排布置，管道中心距5.5 m。新沂河砂溝長286.0 m，由于管線所在位置河底存在9.0 m厚淤泥層、6.0 m厚細砂層和3.0 m厚中粉質壤土層，不可作為工程管道天然地基持力層[3]，本次沖沉法鋪管管底落于粉細砂層頂面，管道中心高程-2.3 m(廢黃河高程，下同)。

沖沉前，鋼管加工成8～10 m長的管節，運至現場拼裝，每根沉管管底設置5根沖泥器，沖泥器可采用帶噴嘴的花管，噴孔孔徑可取15 mm，采用梅花形布置，噴孔縱向間距可取0.8 m，噴孔橫向角度30°，沖泥器高壓水流壓力1.2 MPa，沖泥器采用分段布置，每段采用不同的泵控制壓力，控制下沉姿態與沉降差。

沖沉時，采用河面吸泥船助沉，將沖起的泥漿吸走，減小泥漿容重便于管道下沉；同時在管道上綁混凝土配重塊助沉，每米管道增加600 kg配重，均勻布置。

沉至設計標高后，通過高壓沖泥器進行注漿，置換出管道周邊被攪動土體，確保管道穩定。注漿為水泥-水玻璃雙漿液注漿，水泥漿與水玻璃的體積比為1∶0.6。沉管水平段13.5 m范圍內采用1.0 m厚格賓網箱護底，格賓網面抗拉強度37 kN/m2，翻邊強度26 kN/m2。填石采用強度等級不小于MU30、不易水解、抗風化硬質巖石，填充空隙率不大于30%，粒徑以150～300 mm為宜。新沂河砂溝鋼管敷設斷面，見圖4[4]。

圖4 新沂河砂溝鋼管敷設斷面圖(單位：cm)

3.4 聚乙烯管(PE)

相對于金屬管材，聚乙烯管密度小，材質輕，采用熱熔對接，運輸、敷設方便，維修容易。本工程采用擠出成型的內外壁光滑的平壁管，采用管徑規格分別為DN500、DN600、DN1000與DN1200。其中，管徑DN500與DN600聚乙烯管用于穿越道路與河道的牽引施工，如古城路、利民河等，共計13處，管道長3224 m；管徑DN1000與DN1200聚乙烯管用于鋼筋混凝土頂管的內襯管，如徐淮公路、京杭大運河等，共計11處，管道長2934 m。

牽引施工時，過河管頂最小敷土厚度為2.0 m，過路管頂最小敷土厚度為2.5 m，定向鉆機擴孔直徑采用聚乙烯管外徑的1.1～1.3倍，定向鉆進及擴孔的過程中，根據實際地質條件和管道埋深，配置護壁泥漿，以便泥漿黏度維持孔壁穩定性，避免塌孔。牽引聚乙烯管時應同時牽引注漿管，以便壓力灌漿。聚乙烯管就位后應對管壁外擴孔空隙采用M15水泥砂漿進行壓力灌漿處理，兩端廢棄引導孔道壓注M15水泥砂漿填實。

聚乙烯管作為內襯管時，與鋼筋混凝土管之間空隙應充填強度等級為42.5的M10普通硅酸鹽水泥砂漿，見圖5。

圖5 內襯聚乙烯管示意圖

3.5 鋼筋混凝土管

本工程中，管徑DN1350～DN1500鋼筋混凝土管作為聚乙烯管的套管，用于頂管施工穿越道路和河道，如徐淮公路、京杭大運河等，共計11處，管道長2934 m。本次選用鋼筋混凝土Ⅲ級管，混凝土強度等級不得低于C50，抗滲標號S8。產品出廠前，混凝土強度不應低于設計強度的95%。

頂管頂進過程中，須連續不斷壓注觸變泥漿；頂管進入接收井后，應用M15水泥砂漿置換觸變泥漿，具體實施方式同鋼管。鋼筋混凝土管與聚乙烯管之間空隙充填M10水泥砂漿。

4 多種管材優缺點比較

各種管道滿足工程多方面功能要求，每種管道都有各自適應性，從工程現場、適應范圍、施工方式、投資造價等多方面對比各自優缺點。

(1)玻璃鋼夾砂管(RPMP)。玻璃鋼夾砂管內壁光滑，輸水條件好，耐腐蝕性能強，重量輕，價格便宜，施工與設計經驗成熟；缺點是自身強度不高，抗外力能力較差，適用于小口徑(管徑1000 mm以下)開挖敷設的輸水管道。

(2) 預應力鋼筒混凝土管(PCCP)。預應力鋼筒混凝土管耐腐蝕性能強，強度較高，造價低，具有高密封性和高抗滲性；缺點是管道自重大，施工速度慢，管道摩阻較大，經內壁減阻處理后適用于大口徑(管徑1000 mm及以上)開挖敷設的輸水管道。

(3) 鋼管(SP)。鋼管機械強度高，可承受較高的內壓和適度的外壓，缺點是耐銹蝕性差，剛性焊接接口，施工難度大、速度慢，造價較高，經內外防腐處理后可用于不良地質段管道敷設，以及頂管或沉管穿越道路與河道。

(4) 聚乙烯管(PE)。聚乙烯管屬柔性管，耐腐蝕性強，密度小材質輕，管道內壁阻力小，施工快捷；缺點是造價高，受力易變形。主要用于水質保護要求高，管道受荷小的輸水管道，以及小口徑牽引管施工管道。

(5)鋼筋混凝土管。鋼筋混凝土管耐久性強，價格低，承載能力強，設計與施工經驗豐富；缺點是自重較重，管道摩阻較大，水頭損失大，適用于對水損要求不高的輸水工況，并能適應開挖及頂管等施工方式。

5 結 論

城市黑臭水體整治及截污導流建設過程中，城市生產生活污水以及污水處理廠尾水常需要遠距離有壓輸送。水頭損失越大，所需提升泵站揚程越高，運營成本越大。在輸水管道體系建設中，需結合設計流速、圍壓、現場條件、敷管施工方案，及工程投資等多方面因素，選擇合適的管材。宿遷市尾水導流工程根據不同實際情況分別選用玻璃鋼夾砂管、預應力鋼筒混凝土管、鋼管、 聚乙烯管與鋼筋混凝土管，可供類似工程參考。