城鄉飲水安全工程管材選擇及評價

佧瑪力·買買提

(伽師縣水利局，新疆 伽師 844300)

0 引言

長距離大口徑輸水管道工程選用不同的管型、管材對工程的投資有較大的影響[1]，應結合工程特點和當地環境條件在確保安全運維的前提下合理選取管材。由于幾種常用的管材都有各自優缺點，結合工程特點按照相應權重確定管材比選控制性因素具有科學性。以新疆伽師縣玉代克力克鄉管道延伸工程管材比選為例，深入分析闡述城鄉供水工程中管材選擇方法。

1 工程概況

1.1 工程設計方案

伽師縣城鄉飲水安全工程建設任務是通過建設安全、可靠的輸水管道工程，來滿足伽師縣玉代克力克鄉現狀年1.72萬人，設計水平年2.05萬人的居民用水水源問題，工程的布置如下：

(1)取水工程從已建的蓋孜河東岸輸水干渠取水，新建引水閘；閘后接沉砂調節池進水渠2.47 km；調節沉砂池后通過2根DN1600的引水管(總長0.46 km)進入總水廠。

(2)輸水工程布置為一條輸水干管，起點為總水廠，終點為伽師縣供排水公司，總長111.888 km，管徑DN1200～600。

(3)供配水工程布置

包括15條支管，總長167 km，為連接輸水干管與各鄉鎮分水廠之間的管道，管徑DN600～250；改擴建17座分水廠；改擴建內部配水管網約1548 km，管徑DN400～50；入戶16874戶。

1.2 管道沿線場地環境條件

(1)環境水的腐蝕性評價

根據地質勘察成果，管線沿線地下水對混凝土結構均具中～強腐蝕性、對混凝土結構中的鋼筋具中～強腐蝕性、對鋼結構具強腐蝕性。

(2)場地土的腐蝕性評價

根據管道沿線的室內土壤鹽分化驗成果，管線沿線地基土對混凝土具有弱～中等腐蝕性；對鋼筋混凝土結構中鋼筋具中～強腐蝕性；對鋼結構具強腐蝕性。

(3)沿線地質情況

工程位于平原灌區，地層巖性以低液限粉土、低液限粘土和粉細砂，地下水位較高，在管溝開挖深度內可見。

2 管材選擇

對大口徑輸水管道，通常選擇鋼管、球墨鑄鐵管、PCCP管。當地質地形條件良好，使用壓力不高，經水錘分析計算確有可靠的安全保障時，大口徑輸水管道也可選用預應力鋼筋混凝土管、玻璃鋼管等非金屬管材。

考慮本工程具有長距離、高水頭特點，因為離心澆鑄夾砂玻璃鋼管在新疆的應用情況較少，只將連續纏繞夾砂玻璃鋼管和定長纏繞純玻璃鋼管納入比選范圍。同時，本工程線路埋設在細土平原區，沿線地下水和土都具有較強的腐蝕性，PCCP管的外防腐主要依賴一層較薄的水泥砂漿，不適用于此類地層，故本工程不將PCCP管納入比選范圍。

2.1 水力學條件分析

以海澄威廉系數作為依據，分析各管材過水能力。玻璃鋼管、PE管內壁最光滑，為140～150；涂料內襯的鋼管，如3PE鋼管和涂塑鋼管，系數為130～140。球墨鑄鐵管內壁為水泥砂漿，系數為120～130。因此在同等管徑的情況下，玻璃鋼管、PE管和鋼絲網骨架PE管的過流能力最強，涂料內襯鋼管的過流能力較強，水泥砂漿內襯的球墨鑄鐵管稍低。見表1。

表1 各種管道水頭損失參數表和過流能力評價對比表

2.2 抗壓能力分析

本工程中的最大靜水壓力為140 m，最大使用壓力接近1.6 MPa，管道設計壓力等級最大管段為2.1 MPa，只有鋼管和球墨鑄鐵管能較好地滿足；對于承受外壓能力方面，球墨鑄鐵管最大，鋼管次之，玻璃鋼管和PE管相對最弱，但由于本工程設計管頂土厚為1.2 m，最大土厚一般不超過3 m，因此上述4種管材均能滿足要求，見表2。

表2 各種管道抗壓性能評價對比表

2.3 地基適應性及回填要求

四種管材的標準直管最大容許轉角均為1°，對管基的要求相對較高，主管區回填材料的最大粒徑鋼管及球墨鑄鐵管為40 mm以下，玻璃鋼管和PE管為20 mm以下。本工程位于平原灌區，主要巖性為低液限粉土層，對上述4種管材的回填土粒徑而言，均滿足要求。

2.4 抗腐蝕性能

從場地環境條件來看，存在化學腐蝕。鋼管及球墨鑄鐵管均受地下水及場地土的腐蝕性影響，均需采取一定的防腐措施，其中對于鋼管，管道內外均需考慮防腐，內壁采用常溫型環氧涂料或熱固性環氧樹脂、外壁采用涂塑或3PE防腐層，其中3PE外防腐層的結構是熱固性環氧樹脂(防腐)+PE外保護層(防磕碰)，涂塑外防腐層的結構為PE。球墨鑄鐵管管道內壁采用水泥砂漿內襯防腐，外壁采用噴鋅+環氧煤瀝青防腐層+聚乙烯套防腐。上述兩種管材通過采用防腐措施，嚴格按照工藝執行，均能較好的解決抗腐蝕性問題，但相應的會增加管道造價。PE管和玻璃鋼管在抗腐蝕性方面性能突出，管材本身所用材質已具備耐腐蝕能力，因此不需要額外增加防腐措施。各管材防腐工藝、抗腐蝕性和適用地段見表3。

表3 各管材防腐工藝、抗腐蝕性和適用地段對比表

2.5 施工條件

球墨鑄鐵管吊裝重量最大，裝卸和搬運相對困難，采用承插接頭，單節管長5 m，接頭數量相對較多；鋼管吊裝重量較大，采用焊接接頭，單節管長12 m，接頭數量少，接頭為現場焊接，施工速度相對最慢，涌水地點施工困難；PE管重量較輕，采用承插接頭，單節管長12 m，接頭數量少，熱熔連接施工速度快；玻璃鋼管吊裝重量最輕，采用承插接頭；纖維纏繞管單節管長12 m，接頭數量少，施工速度快。施工難易程度對比見表4。

表4 各管材施工難易程度對比表

2.6 維修養護條件

長距離輸水管線在運行過程中，發生爆管、漏水事故時鋼管可切割焊接，可加工各類異型管件，維修最為便利；球墨鑄鐵管的切割性和可焊性較差，一般只能整體更換，維修不便；玻璃鋼管可通過現場纏繞玻璃纖維修補，但可靠性不如焊接；PE管可熱熔或現場箍哈夫節，維修較便利。

2.7 管材選擇

玻璃鋼管的使用條件，適用于1.6 MPa以內，沿線地層巖性為粉土、粘土或砂土的地段。球墨鑄鐵管的使用條件，在管徑大于DN400時適用于1.6 MPa以內的地段，在管徑小于DN400時適用于3.0 MPa以內的管段。鋼管適用于本工程所有地段。PE管和鋼絲網骨架PE管，適用于2.0 MPa以內的地段。

金屬管材安全性能最高，因此在價格相差不大的情況下，建議優先考慮金屬管材。從管道系統的壓力條件來看，本工程管道靜水壓力較大，設計壓力為2.1 MPa，因此仍推薦承壓能力較好的鋼管。鋼管的防腐采用涂塑鋼管，內防腐為熱固性環氧樹脂，外防腐為加強級涂塑層。

3 結語

本工程屬于長距離的中大口徑輸水管道工程，工程量大，工期緊，綜合考慮，在區域環境約束下將管材抗腐蝕性能納入首要限制性因素。即在滿足安全的前提下納入可比管材，其次參與比選的管材主要區別在于水力運行條件、施工和維護的便易性，因此，本次比選側重安全性、經濟性和施工、維護便易程度等方面。