某水庫輸水工程線路管材及管徑比選分析

樊文林，黃再堅

（貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550001）

1 工程概況

某水利工程位于中國貴州山區，水庫工程等別為Ⅲ等，工程規模屬中型，分為水源工程、輸水工程兩個部分，工程主要任務是給甲縣城供水，年總供水量為4.50×107m3，其中設計城市供水（P=95%）水量4.30×107m3，下游村鎮供水（P=95%）水量1.70×106m3，下放環境水量8.90×106m3，輸水設計流量1.80 m3/s，線路總長約14 km，其中泵站提水管線長度約6 km，重力流管線長度約8 km。

2 管徑的比選分析

提水管道經濟直徑按下式確定：

式中：Q-管道輸水流量（m3/s）；V-經濟流速（m/s）。

根據《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》，管道設計流速宜控制在經濟流速0.90～1.50 m/s，所以自流管線管道選擇DN1400，對應流速為1.17 m/s，滿足要求。

《泵站設計規范》中供水系統供水管內流速宜按2～3 m/s選取，供水泵進水管流速宜按1.50～2 m/s 選取，《室外給水設計規范》中水泵吸水管設計流速宜為0.70～1.50 m/s，出水管設計流速宜為0.80～2.50 m/s，鑒于規范規定的流速不同且為范圍值，需要對不同流速對應的管徑進行經濟分析。

泵站提水總揚程由凈揚程加管道水頭損失組成，由于多數提水管道較長，管徑的變化對水頭損失影響大，提水管道不同管徑水損見表1，從而可能導致提水費用過高而不經濟，所以提水管道管徑應進行經濟指標比選，投資比選見表2，其中提水費根據年提水量結合提水揚程計算泵站提水耗電量指標，根據《省發展改革委關于貴州電網2020-2022年輸配電價和銷售電價有關事項的通知》，變壓器35 kV、工商業及其他用電、兩部制對應的電價按照0.52元每度計算。一級泵站進水管、上水管和二級泵站上水管共按6 km考慮，管材按鋼管（見下文管材比較分析）。提水費按照建筑物使用年限50年進行折現。經計算并結合管壁厚度需大于D/130，得到不同管徑對應的壁厚為10、11、12、13、13、14、15 mm，經驗算抗外壓，DN1300（t=12 mm）時，不滿足要求，需要增加加勁環。經市場調研咨詢，鋼管管材費用按9 266.46元/t，并考慮247.44元/m的敷設費用。經比較分析，一級、二級泵站提水管道的最經濟管徑為一級泵站進水管、出水管管道管徑為1 400 mm，二級泵站出水管道管徑為1 400 mm。

表1 提水管道不同管徑水損表（管材按鋼管）

表2 提水管道不同管徑投資對比表（管材按鋼管）

3 管材的比選分析

3.1 重力流管

根據工程的具體情況，水頭較高，管道壓力較大，進行管材、設備的比選優化，原則上應選用造價經濟、性能可靠、施工方便、運行安全、耐腐蝕性強、使用壽命長、后期維護費用低的管材。此工程輸水管道采用重力式和加壓式提水方式，其中，重力式輸水管道為一級泵站高位水池至二級泵站進水池之間的管道。加壓式輸水管線有：一級泵站進、出水管及二級泵站出水管。

一級泵站高位水池至二級泵站進水池之間超過8 km的重力式輸水管道，沿線地形起伏較大，局部坡度較陡，最大工作水頭約200 m，對于混凝土管，由于管材易破碎、施工難度大，且承壓低，故不予以考慮。對于PE管，目前國內生產的公稱壓力1.25 MPa以上的PE管最大外徑僅為630 mm，且造價較高，不能滿足設計要求，故也不予以考慮。因此，輸水管道采取鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管及預應力鋼筒混凝土管材（PCCP）進行比較。

鋼管的特點是強度高，承受工作壓力較高，管材及管件易加工，管廠建設周期短；敷設方便，適應性強，特別是地形復雜的地段，采用鋼管較方便。但鋼管的剛度小，易變形，襯里及外防腐要求嚴，必要時需作陰極保護，其接口形式比較靈活，可焊接、法蘭、絲扣以及特制承插口，一般為剛性連接。

球墨鑄鐵管的特點是球墨鑄鐵管承壓能力高，其延伸率、剛度、抗拉強度均較大，管件規格齊全，能適應各種安裝需要；球墨鑄鐵管接口通常采用承插口，系柔性接口，拆裝方便，承受局部沉陷能力較強，可在管內有少量余水的情況下維修；球墨鑄鐵管通常外表防腐首先噴涂鋅層，再噴瀝青保護，其管壁內襯水泥砂漿，耐腐蝕能力強于鋼管，但弱于非金屬管道；一般有50年的使用壽命，但自重大，現場施工有一定難度。

玻璃鋼管的特點是管道糙率較小，輸送流體的壓力損失小，同等管徑情況下可提高輸送能力20%以上；玻璃鋼管重量輕，安裝容易；玻璃鋼管的連接可采用承插式或法蘭式，為柔性接口，現場安裝方便；該管材抗腐蝕性、抗老化性能較差，局部抗沖擊能力較差，可根據埋設環境選用不同種類的玻璃鋼管。但玻璃鋼管由于管壁較薄，對基礎與回填要求較高，對貴州山區地形適應能力差。

預應力鋼筒混凝土管材的特點是這種類型的鋼管首先剛度很高，不會輕易發生變形或者是折損的情況；密封性能很好，并且還具有很強的承載力；具有很強的抗滲透性，使用時間相對來說較長，維護和運行成本相對較低；這類管材在安裝的時候需要配套的加工管的配件，使用靈活性不夠；管材自重很大，在運輸或者安裝的時候都是需要大型的起重機和車輛配合。PCCP管材不管是吊裝費用還是運輸成本相對來講都比較高，對于貴州山區地形適應性差，不建議使用該管材。

綜上考慮各種管材的優缺點，結合本工程輸水管線路長，管徑大小不一的特點、內壓、外部荷載和管材的供應等條件，從工程的運行安全性、耐久性、施工和維護管理、經濟合理性綜合管道敷設區的地形、地貌、地質情況，本階段經過比較選擇不同部位不同的輸水管材料進行比選。

根據輸水工程的區域特點，輸水管線起伏較大，各輸水管道內水壓力大部分管線都超過100 m，最大水壓力高度超過了200 m，根據《村鎮供水工程技術規范》規定管道設計內水壓力根據不同管材進行計算，見表3。

表3 不同管材的設計內水壓力表

根據表3 可知，不同管材的設計內水壓力值計算，夾砂玻璃鋼管和PE 管的最大承壓僅為1.60 MPa，而大部分管線最大工作壓力超過1.00 MPa，這種管材不符合該工程輸水管線的要求，只有球墨鑄鐵管和焊接鋼管內水壓力滿足要求，此階段采用球墨鑄鐵管和螺旋鋼管進行材料比選。

管材選取應考慮施工條件、使用年限、運行維護、投資等因素綜合分析。焊接鋼管運輸方便、快捷，特別適應山區地形，而球墨鑄鐵管的標準管節對進場道路要求高。其次，焊接鋼管可以根據不同位置處的水頭對管道的管壁厚度采取優化處理，可以進一步節省投資，而球墨鑄鐵管常規壓力等級的主要有K8、K9、K10級，優化空間不大。同時，焊接鋼管可以根據現場的實際情況，采取任意轉彎角度，而球墨鑄鐵管的彎頭基本是標準的轉彎角度，施工中往往需要采取管節之間相互借轉，會產生一定的管槽超挖。另外，焊接鋼管經過內外防腐處理后，可以滿足工程使用年限的要求。輸水管道各管材計算管徑價格比較見下表4，其中單價含稅、含運費，管材安裝單價球墨鑄鐵管按照225元/m，鋼管按照247元/m，鋼管防腐單價為100元/m2。根據計算得到鋼管的投資較球墨鑄鐵節省約1 000萬元。

表4 輸水隧洞9種施工工況下每延米成本表

表4 重力流段不同管材投資對比分析表

綜上述分析，結合工程投資、施工條件、使用壽命及運行管理維護等因素，同時方便后期管材招標，輸水工程重力流段推薦采用鋼管，并根據分段的水壓力不同，優化采用不同壁厚的鋼管。

3.2 泵站提水管線

單節標準長度的球墨鑄鐵管對地形的適應性較鋼管差，同時相同管節的重量球管偏重，對于陡峭的地形運輸安裝均存在較大的施工難度。另外，對于泵站進出水管道，提水揚程高，一級泵站提水揚程約274 m，二級泵站提水揚程約244.50 m，其中一級泵站最大的水壓力高度超過了300 m。由于水泵開啟和關閉時間短，易產生較大水錘，總水頭接近1.50倍水壓力高度，最大達約450 m，同時水泵在開啟和關閉時管道容易產生振動，不利于提水管道安全運行。另外，同類工程，提水管多數采用鋼管，因此泵站進出水管道采用鋼管，即一級泵站進水管、提水管和二級泵站提水管均采用鋼管。

4 結論

對于輸水工程的管道直徑選取，規范推薦的是范圍值，需要在實際的設計過程中，根據當時的物價水平，對不同的管徑進行比較分析，得出既滿足輸水要求，又經濟的管道直徑。而輸水工程中，可供選擇的管材較多，各自的性能特點也不一樣，不同的管材因受其自身特點的限制，需要滿足工作壓力、現場實際地形、施工條件、使用壽命、運行管理，適合吊裝運輸等，選擇可行適用的管材，再針對可用的管材進行財務指標分析，最終得到經濟投入相對較少的管材。