甘河子河灌區(qū)輸水管道工程管材比選分析

張 龍

(新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師五家渠市水政監(jiān)察支隊(duì)，新疆 五家渠 831300)

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第六師五家渠市位于新疆昌吉州境內(nèi)下游沙漠化邊緣地帶，生態(tài)環(huán)境較為惡劣，屬于嚴(yán)重干旱缺水地區(qū)。目前上游河水逐年減少，地下水超采嚴(yán)重，現(xiàn)有的水資源嚴(yán)重緊缺，水資源的供需矛盾日益突出，難以滿足團(tuán)場(chǎng)農(nóng)業(yè)灌溉用水需求。隨著引額濟(jì)烏的調(diào)水進(jìn)入阜康市和第六師，這2個(gè)地區(qū)的水資源量將發(fā)生較大的變化，為了充分利用調(diào)水和本地區(qū)有限的水資源，需要對(duì)水資源重新進(jìn)行合理配置。隨著灌區(qū)水資源需求矛盾日益突出，急需修建甘河子河灌區(qū)輸水管道工程，來解決灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉季節(jié)性缺水問題，以及工業(yè)發(fā)展的用水問題。

1 工程概況

甘河子河灌區(qū)輸水管道工程位于阜康市甘河子鎮(zhèn)及新疆兵團(tuán)第六師土墩子農(nóng)場(chǎng)境內(nèi)，管道起點(diǎn)接已建的甘河子水庫放水涵洞，由南向北依次經(jīng)過甘河子鎮(zhèn)、白楊河西村、西泉水庫，至終點(diǎn)土墩子分水閘，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為4.17m3/s，骨干管網(wǎng)總長度27.83km。輸水管道工程承擔(dān)甘河子河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水的供水任務(wù)，灌溉面積5500hm2。

2018年，第六師申請(qǐng)國家水利專項(xiàng)資金，實(shí)施甘河子河灌區(qū)輸水管道工程建設(shè)，重點(diǎn)解決甘河子河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉季節(jié)性缺水問題，以及工業(yè)發(fā)展的用水問題。甘河子河灌區(qū)輸水管道工程由骨干管網(wǎng)工程、配套建筑物、灌區(qū)信息化系統(tǒng)組成，工程等別為IV等，工程規(guī)模屬小(1)型，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。

甘河子河灌區(qū)輸水管道工程建成后，年供水量為2980.50萬m3，有效緩解灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水矛盾，為項(xiàng)目區(qū)水資源有效利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和職工群眾生活條件改善發(fā)揮著重要作用。

2 管材比選分析

2.1 管材選擇

甘河子灌區(qū)輸水管道管材選擇時(shí)依據(jù)管道沿線地形、地質(zhì)條件、最大使用壓力分段進(jìn)行，并結(jié)合工程造價(jià)選擇管材。具體選擇要求如下。

(1)管道能承受要求的內(nèi)壓力和外荷載。

(2)管道使用性能的安全及維修工程量小，減少運(yùn)行期的維護(hù)工作；適應(yīng)氣候溫差的變化，連接方式簡單可靠；墊層處理型式簡單易行。

(3)管道使用年限長，按50a設(shè)計(jì)。

(4)管道在滿足引水能力的情況下，造價(jià)低廉。

目前在長距離中小管徑的管道輸水工程中，應(yīng)用較多為鋼管、玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管及PVC管等。參考已建工程管材比選的特點(diǎn)以及各種管材在新疆的應(yīng)用情況，本次工程對(duì)上述5種管材方案進(jìn)行比選。

基于上述條件，根據(jù)鋼管、玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管及PVC-U管管材特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終確定為推薦管材類型。

管材特性指標(biāo)參數(shù)詳見表1。

表1 管材特性指標(biāo)表

2.2 管材特點(diǎn)分析

甘河子河灌區(qū)輸水管道工程具有中高水頭、長距離、地質(zhì)情況復(fù)雜等特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)已建工程的應(yīng)用情況分析，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好，使用壓力較低時(shí)，對(duì)大口徑輸水管道(DN>DN400)，可通過比較選擇球墨鑄鐵管、鋼管、玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管(PCCP)；對(duì)小口徑輸水管道(DN≤DN400)，可通過比較選擇球墨鑄鐵管、鋼管、PVC-U管。參考已建工程管材比選的特點(diǎn)以及各種管材在新疆的應(yīng)用情況，本次工程對(duì)上述5種管材方案進(jìn)行比選分析。

2.2.1鋼管

鋼管是以熱軋鋼帶卷作管坯，經(jīng)常溫螺旋成型，用雙面埋弧焊法焊接，鋼管承壓能力強(qiáng)，可以承受較高的內(nèi)壓和外壓，焊接性能好，富延展性、耐振動(dòng)及沖擊，使用安全可靠。特點(diǎn)分析如下。

(1)水力學(xué)條件。鋼管采用內(nèi)涂層防腐時(shí)糙率為0.0095，其過水能力較強(qiáng)，抗水流沖擊力較強(qiáng)。

(2)技術(shù)性能。鋼管承壓能力強(qiáng)，可以承受較高的內(nèi)壓和外壓，機(jī)械強(qiáng)度較好，富延展性、焊接性能好，耐振動(dòng)及沖擊性強(qiáng)，使用安全可靠。

(3)地基適應(yīng)性及回填。管材的標(biāo)準(zhǔn)直管最大容許轉(zhuǎn)角為1°，對(duì)管基的要求相對(duì)較高，主管區(qū)回填材料的最大粒徑25mm以下，對(duì)地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，尤其是在穿越河流、公路、山谷和障礙物時(shí)最為方便。

(4)抗腐蝕性。受地下水及場(chǎng)地土的腐蝕性影響，需采取一定的防腐措施，管道內(nèi)外均需考慮防腐，內(nèi)壁采用環(huán)氧涂料、外壁采用3PE防腐層。

(5)施工及維修。鋼管現(xiàn)場(chǎng)的工作量較大，施工速度較慢，施工現(xiàn)場(chǎng)焊接需要有電源，并保證工作坑內(nèi)無積水，涌水地點(diǎn)施工困難，安裝費(fèi)用相對(duì)較高，維修方便。

(6)安全性。鋼管承壓能力強(qiáng)，焊接性能好，經(jīng)過各種嚴(yán)格的科學(xué)檢驗(yàn)和測(cè)試，使用安全可靠。

(7)使用年限。30a以上。

(8)工程投資。建筑工程費(fèi)10127.36萬元，工程投資較少。

2.2.2玻璃鋼管

玻璃鋼管是由合成樹脂和玻璃纖維復(fù)合制成的一種管材，能有效地抵抗酸、堿、鹽及電腐蝕等介質(zhì)的侵蝕，耐腐蝕，重量輕，有利于施工安裝，無需作防腐處理。特點(diǎn)分析如下。

(1)水力學(xué)條件。玻璃鋼管的水力性能優(yōu)越，其內(nèi)壁光滑，阻力小(糙率系數(shù)為0.009)，其過水能力最強(qiáng)，輸水能力大。在相同管徑、相同流量條件下比其他材質(zhì)管道水頭損失小、節(jié)省能耗。

(2)技術(shù)性能。內(nèi)襯層起防腐、防滲作用，纏繞層與樹脂砂漿層擔(dān)負(fù)管道的強(qiáng)度和剛度作用，外保護(hù)層起抗老化、防腐蝕、抗日曬的作用。承受外壓能力是管材本身剛度和回填材料的反作用力的組合，相對(duì)承外壓能力較弱。

(3)地基適應(yīng)性及回填。管材的標(biāo)準(zhǔn)直管最大容許轉(zhuǎn)角為1°，對(duì)管基的要求相對(duì)較高，主管區(qū)回填材料的最大粒徑20mm，對(duì)地基的適應(yīng)性一般，承外壓能力較弱，在管道施工對(duì)回填材料和回填料密實(shí)度要求較高。

(4)抗腐蝕性。能有效地抵抗酸、堿、鹽及電腐蝕等介質(zhì)的侵蝕，耐腐蝕性好，長期運(yùn)行后內(nèi)壁不結(jié)垢，無需作防腐處理。

(5)施工及維修。重量輕，有利于施工安裝，單根管道長度可達(dá)到12m，可減少接頭數(shù)量，降低施工費(fèi)用，施工進(jìn)度較快，維修方便。

(6)安全性。由于管壁薄，運(yùn)輸及安裝過程中易因碰撞產(chǎn)生薄弱點(diǎn)，存在安全隱患。

(7)使用年限。50a以上。

(8)工程投資。建筑工程費(fèi)10756.21萬元，工程投資最多。

2.2.3預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)是一種鋼筒與混凝土制作的復(fù)合管，管芯為混凝土，在其外壁或中部埋入鋼筒，在管芯上環(huán)向纏繞預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，并在其外部噴水泥砂漿保護(hù)層，充分發(fā)揮混凝土抗壓、鋼絲抗拉、鋼筒抗?jié)B等性能。特點(diǎn)分析如下。

(1)水力學(xué)條件。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)管內(nèi)壁是內(nèi)襯混凝土，由于糙率相對(duì)較大(糙率系數(shù)為0.011～0.0125)，輸水阻力相應(yīng)較大。

(2)技術(shù)性能。充分發(fā)揮混凝土抗壓、鋼絲抗拉、鋼筒抗?jié)B等性能，其承受內(nèi)外壓的能力均較高，剛性管壁和粗糙外表面使之有很好的耐久性。

(3)地基適應(yīng)性及回填。管材的標(biāo)準(zhǔn)直管最大容許轉(zhuǎn)角均為1°，對(duì)管基的要求相對(duì)較高，主管區(qū)回填材料的最大粒徑25mm以下，對(duì)地基適應(yīng)性一般，承外壓能力較強(qiáng)，在管道施工對(duì)回填材料和回填料密實(shí)度要求較高。

(4)抗腐蝕性。受地下水及場(chǎng)地土的腐蝕性影響，均需采取一定的防腐措施，對(duì)PCCP管要求管道外壁的砂漿保護(hù)層采用抗硫酸鹽水泥，并增設(shè)加強(qiáng)級(jí)環(huán)氧煤瀝青防腐措施。

(5)施工及維修。PCCP管吊裝重量大，裝卸和搬運(yùn)相對(duì)困難，采用承插接頭，單節(jié)管長5或6m，接頭數(shù)量相對(duì)較多；現(xiàn)場(chǎng)的工作量較大，施工速度相對(duì)較慢，維修較難。

(6)安全性。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)承壓能力強(qiáng)，經(jīng)過各種嚴(yán)格的科學(xué)檢驗(yàn)和測(cè)試，使用安全可靠。

(7)使用年限。50a以上。

(8)工程投資。建筑工程費(fèi)10345.12萬元，工程投資較多。

2.2.4球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管是使用18號(hào)以上的鑄造鐵水經(jīng)添加球化劑后，經(jīng)過離心球墨鑄鐵機(jī)高速離心鑄造成的管道，管道承受壓力較高，對(duì)地基適應(yīng)性較強(qiáng)，耐腐蝕性強(qiáng)，富有強(qiáng)韌性，耐沖擊強(qiáng)度大。特點(diǎn)分析如下。

(1)水力學(xué)條件。球墨鑄鐵管內(nèi)壁糙率0.0125，由于糙率相對(duì)較大，輸水阻力相應(yīng)較大。

(2)技術(shù)性能。安全性高，管道承受壓力較高，采用橡膠圈接口，柔性較好，富有強(qiáng)韌性，耐沖擊強(qiáng)度大，機(jī)械接頭的可撓性與伸縮性，接頭方便。

(3)地基適應(yīng)性及回填。管材的標(biāo)準(zhǔn)直管最大容許轉(zhuǎn)角均為1°，對(duì)管基的要求相對(duì)較高，主管區(qū)回填材料的最大粒徑小于25mm，對(duì)地基適應(yīng)性較強(qiáng)，管道承受壓力較高，在管道施工對(duì)回填材料和回填料密實(shí)度要求較高。

(4)抗腐蝕性。球墨鑄鐵管管道內(nèi)壁采用水泥砂漿內(nèi)襯防腐，外壁采用噴鋅+環(huán)氧煤瀝青防腐。耐腐蝕性強(qiáng)，富有強(qiáng)韌性，耐沖擊強(qiáng)度大。

(5)施工及維修。球墨鑄鐵管吊裝重量較大，裝卸和搬運(yùn)相對(duì)困難，有標(biāo)準(zhǔn)配件，機(jī)械接頭的可撓性與伸縮性，接頭施工方便，維修較難。

(6)安全性。管道承受壓力較高，使用安全性高。

(7)使用年限。50a以上。

(8)工程投資。建筑工程費(fèi)10235.47萬元，工程投資較多。

2.2.5PVC-U管

PVC-U管是聚乙烯復(fù)合管管材，埋地施工無需內(nèi)外防腐；密封性良好，采用承插連接，施工較為簡單；無毒，安全衛(wèi)生；屬于柔性管材，對(duì)地基的適應(yīng)性較好；耐磨，耐久性等指標(biāo)均較高。特點(diǎn)分析如下。

(1)水力學(xué)條件。PVC-U管屬于柔性材料，糙率為0.0095，其過水能力較強(qiáng)。

(2)技術(shù)性能。埋地施工無需內(nèi)外防腐；密封性良好，采用承插連接；無毒，安全衛(wèi)生；耐磨，耐久性等指標(biāo)均較高。

(3)地基適應(yīng)性及回填。管材的標(biāo)準(zhǔn)直管最大容許轉(zhuǎn)角均為1°，對(duì)管基的要求相對(duì)較高，屬于柔性管材，對(duì)地基的適應(yīng)性較好；管道沿線地質(zhì)均可滿足回填。

(4)抗腐蝕性。PVC-U管是聚乙烯復(fù)合管管材，優(yōu)點(diǎn)是耐腐蝕性好，埋地施工無需內(nèi)外防腐。

(5)施工及維修。PVC-U管重量較輕，采用承插連接，單節(jié)管長10m，最大可做到18m，接頭數(shù)量少，施工簡單、速度快，維修方便。

(6)安全性。無毒，安全衛(wèi)生。

(7)使用年限。50a以上。

(8)工程投資。建筑工程費(fèi)10119.36萬元，工程投資最少。

2.3 結(jié)論

通過對(duì)鋼管、玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管、PVC-U管5種管材進(jìn)行對(duì)比，從水力學(xué)條件、技術(shù)性能、地基適應(yīng)性及回填、抗腐蝕性、施工及維修、安全性、使用年限、工程投資方面分析、比較，分析成果詳見表2。

表2 管材分析成果表

綜合上述分析成果，管材選擇時(shí)依據(jù)管道沿線地形、地質(zhì)條件、最大使用壓力分段進(jìn)行，并結(jié)合工程造價(jià)選擇管材。本次選擇壓力等級(jí)>1.25MPa采用鋼管；壓力等級(jí)≤1.25MPa，管徑DN≥400mm的管道，應(yīng)以玻璃鋼管為主；壓力等級(jí)≤1.25MPa，管徑DN<400mm的管道，以PVC-U管為主。

3 結(jié)語

通過比選、分析鋼管、玻璃鋼管、PCCP、球墨鑄鐵管、PVC-U管5種管材特性，確定適宜的管材類型，從而提升了工程質(zhì)量，降低了投資，便于施工與運(yùn)行管理，對(duì)改善項(xiàng)目區(qū)水資源有效利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和職工群眾生活條件具有重要意義。對(duì)于上述5種管材特點(diǎn)的比選、分析是基于管道為高水頭、長距離、流量較小、管徑較小、落差較高且地形地質(zhì)條件比較優(yōu)越的小(Ⅰ)型輸水管道工程適合，非上述情況的輸水管道工程管材類型選擇還需結(jié)合實(shí)際重新論證、分析，最終才能確定最佳工程管道管材類型。