長距離城鎮(zhèn)供水工程中輸水管材的綜合比選

王志鵬

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程概況

為解決連山縣城、福堂鎮(zhèn)約5.68萬城鎮(zhèn)居民的生活用水供需矛盾，保障社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)少數(shù)民族地區(qū)社會和諧穩(wěn)定，保護(hù)轄區(qū)內(nèi)居民飲水安全，提高人民生活水平，決定建設(shè)德建水庫供水工程。本工程從德建水庫鋪設(shè)輸水管道至縣城石龍嘴水廠，線路總長為11.4 km，其中TBM隧洞長度約7.6 km，埋管長度約3.8 km。

本工程的輸水管線有兩處跨河和一處跨村莊道路。跨河處考慮到河底高程較淺，河道河床地質(zhì)條件不穩(wěn)定；跨村莊道路處考慮到采用頂管技術(shù)需要建造工作井和接收井，工作面較大，單位長度分?jǐn)偼顿Y大。綜合考慮管線跨河和跨村莊道路處采用埋鋼管(SP)外包混凝土，并對地基基礎(chǔ)加固處理。

2 管線布置方案

工程起點(diǎn)為德建水庫預(yù)留輸水管末端，向西沿盤石水埋管至S263省道后向北跨過盤石水，沿著S263省道埋管至042鄉(xiāng)道與S263省道相接處山坡腳下入洞口，隧洞線路沿著北偏東40°方向穿過龍水河，從龍水河位置轉(zhuǎn)彎后直線布置至二廣高速與766鄉(xiāng)道交匯附近山腳出洞口，出隧洞后采用埋管穿越高樓水，然后再順766鄉(xiāng)道埋管至石龍嘴水廠。該方案中隧洞全長7.6 km，無布置施工支洞條件，適合采用TBM法施工。埋管段工況復(fù)雜多變，對輸水管材的性能要求更加嚴(yán)苛、多樣，因此，需要合理布置管線、因地制宜篩選管材、分段布置埋管長度，最終實(shí)現(xiàn)安全供水、穩(wěn)定供水、可持續(xù)供水[1]。

3 管道種類及特性

輸水管材的選擇是否正確不僅關(guān)系到工程投資，還影響著供水的安全與可持續(xù)性，因此在設(shè)計階段必須對輸水管材嚴(yán)格篩選。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及市場供需關(guān)系，并結(jié)合本工程特點(diǎn)，初步選擇三種管材進(jìn)行方案比選：鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管及球墨鑄鐵管。

3.1 鋼管(SP)

鋼管是最常見的輸水管材，具有悠久的應(yīng)用歷史，也是水利工程中應(yīng)用最廣泛的管材，在實(shí)際工程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。鋼管具有以下優(yōu)點(diǎn)：可設(shè)計性強(qiáng)，因鋼管環(huán)向強(qiáng)度、彈性模量較高，根據(jù)承受的內(nèi)水壓力和管頂外荷條件，對鋼管的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定進(jìn)行計算，以確定管徑和管壁厚度；管道內(nèi)、外壁易做除銹和防腐處理，可有效延長其使用壽命；能適應(yīng)各種地質(zhì)條件，一般情況下不需做管道地基處理，適用性強(qiáng)；接口采用焊接，在焊接質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求情況下，便不會發(fā)生滲漏；管道配件可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計和制作，拓展性強(qiáng)；在過往長距離供水工程中，鋼管是被最廣泛采用的輸水管材，具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和完備的施工方案。

3.2 球墨鑄鐵管(DIP)

球墨鑄鐵管是傳統(tǒng)鑄鐵管的一種，通過添加特定的化學(xué)物質(zhì)使其中碳元素以球狀游離石墨存在，從而使其機(jī)械性能得到較好的改善。球墨鑄鐵管防腐性能優(yōu)異、延展性能好，密封效果好，安裝簡易；主要用于市政、工礦企業(yè)給水、輸氣，輸油等工程。其主要特點(diǎn)有：具有較高的承壓能力，管頂以上覆土可達(dá)到3 m～4 m；具有良好的防腐性能，一般內(nèi)防腐采用水泥砂漿襯里，外防腐采用噴鋅和煤瀝青防腐漆；防滲性能高，管口銜接處可采用橡膠圈止水，密封性好；管口銜接處可采用接頭，適應(yīng)地基變形能力強(qiáng)，抗震性能高。

球墨鑄鐵管的缺點(diǎn)同樣值得我們關(guān)注：球墨鑄鐵管管身較為笨重，安裝時必須啟用機(jī)械，后期檢修同樣需要在機(jī)械輔助下完成；此外，本工程管線多布置于道路崎嶇狹窄的山區(qū)，不便于沉重管材的運(yùn)輸。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管同樣具有管身沉重、后期檢修困難等缺陷，在此不再贅述。

3.3 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是一種由鋼板、預(yù)應(yīng)力鋼絲、水泥砂漿保護(hù)層和混凝土等四種材料經(jīng)過一系列技術(shù)加工而成的新型復(fù)合管材。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管質(zhì)量可靠、可塑性強(qiáng)，能有效保障輸水管線的安全運(yùn)行，但具有管身沉重、后期檢修困難等缺陷。根據(jù)國家發(fā)改委、科技部、水利部等專家推薦，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管優(yōu)先應(yīng)用于DN>1200 mm的輸水工程。本工程主輸水管DN800 mm，應(yīng)優(yōu)先考慮鋼管和球墨鑄鐵管，故再次不再贅述預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管特性。

3.4 管材投資對比

連山縣德建水庫供水工程最大設(shè)計流量為0.5 m3/s，埋管段長度3.8 km(除去隧洞7.6 km)，采用單管的輸水方案，在現(xiàn)有水頭條件下盡量選擇管徑最小的管材，通過水力計算，擬定管徑為DN800。表1為三種管材綜合管材費(fèi)用對比。

表1 綜合管材費(fèi)用對比表

對比表1數(shù)據(jù)可知，單位長度DN800球墨鑄鐵管的投資比預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管低14.7%，球墨鑄鐵管具有良好的可撓性和伸縮性，能吸收因地基沉降而產(chǎn)生的壓力，避免管道破裂，還具有壽命長、安裝簡單快捷等優(yōu)點(diǎn)。因此結(jié)合管材的經(jīng)濟(jì)性和耐久性等特點(diǎn)，從節(jié)約工程投資的角度，擬定球墨鑄鐵管為本工程首選管材[2]。單位長度DN800鋼管綜合管材費(fèi)用遠(yuǎn)高于其他兩種管材，但由于跨河和跨村莊道路段等特殊工況段必須采用高強(qiáng)度、耐腐蝕的鋼管，因此盤石水左岸、跨河、普通公路下埋管采用鋼管外包混凝土[3]。

4 管材綜合比選

本工程輸水管線有兩處跨河段，樁號分別為0+681～0+810、10+527～10+554。根據(jù)現(xiàn)場查勘得知，穿越河道處水流流速較緩，水量較小，河床深槽較淺，故采用埋管方案，具有工程投資較節(jié)省、施工難度較小、工程實(shí)施風(fēng)險相對較小、施工設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)。穿河道埋管結(jié)構(gòu)采用鋼管外包砼形式，外包砼厚度為300 mm，管頂最小埋深為2.0 m，同時管頂上方采用1000 mm厚拋石回填。開挖邊坡為1∶2.5，管底換填碎石厚800 mm。鋼管跨河埋管斷面圖見圖1。

圖1 鋼管跨河埋管斷面圖

本工程輸水管線有一段沿公路布置，且村莊緊挨著公路，無法進(jìn)行大面積開挖，其樁號為1+723～2+054。根據(jù)現(xiàn)場查勘得知，此處具有埋管施工的條件，同時考慮到征地工作開展難度大，因此優(yōu)化埋管施工開挖方式，盡量減少臨時用地面積[4]。擬采用鋼板樁垂直支護(hù)的開挖方式，并采用拋石對底部淤質(zhì)黏土進(jìn)行擠淤處理。鋼管穿道路埋管斷面圖見圖2。

圖2 鋼管穿道路埋管斷面圖

本工程輸水管線有一段位于高速公路橋底，樁號為2+231～2+308。為保障橋墩基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，減少斷面開挖對高速公路橋的影響，擬采用鋼板樁垂直支護(hù)的開挖方式，盡量減少開挖斷面。同時考慮到橋體震動對管體穩(wěn)定性的影響，故選用力學(xué)性能更佳的鋼管，外包混凝土厚度為300 mm，基礎(chǔ)為天然地基。

除上述幾種特殊工況外，本工程內(nèi)其他段輸水管線可視為普通段管線，本著節(jié)省投資的原則，選用DN800球墨鑄鐵管并外包300 mm C25混凝土，必要時對基礎(chǔ)進(jìn)行換填碎石或拋石擠淤處理。圖3為正在施工中的球墨鑄鐵管[5]。

圖3 埋管施工現(xiàn)場

5 結(jié)語

長距離城鎮(zhèn)供水工程中，輸水管材的質(zhì)量與投資是影響工程質(zhì)量至關(guān)重要的因素之一。鋼管雖然成本較高，但因其強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為供水工程中應(yīng)用最廣泛的輸水管材，常應(yīng)用于穿路埋管、 跨河埋管以及埋管沉管等特殊工況。球墨鑄鐵管成本較低、穩(wěn)定性好，適用于大多數(shù)一般工況，與鋼管等其他管材配合使用便可體現(xiàn)其最大的經(jīng)濟(jì)價值，是供水工程中不可或缺的輸水管材。在長距離城鎮(zhèn)供水工程設(shè)計過程中，通過對輸水管材的對比與分析，并結(jié)合已知工況條件，我們能探索出更科學(xué)、更經(jīng)濟(jì)的管材比選方案，為供水工程可持續(xù)發(fā)展打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。