以工程為例淺析泵站提水工程的管道選材與設(shè)計(jì)

夏海濱

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

在泵站提水工程中，出水管線的管道選材與設(shè)計(jì)對(duì)工程的投資和安全有至關(guān)重要的作用，恰當(dāng)?shù)倪x材和設(shè)計(jì)會(huì)使泵站工程在有限的投資內(nèi)達(dá)到更高的效率，在保障工程安全的前提下有效提高工程的效益。本文將以某工程為例，淺析泵站提水工程中的管道選材與設(shè)計(jì)。

1 工程自然條件

工程區(qū)地處西北高原，溫差較大，無(wú)霜期短，降水稀少，蒸發(fā)量大，氣候干旱，地表、地下水貧乏，屬典型的干旱型大陸性氣候。全年平均氣溫6.6℃，極端最高氣溫33℃，極端最低氣溫-26.4℃;最大的凍土深度約為110 cm。管線工程沿程地形開(kāi)闊，地勢(shì)略有起伏。管道涉及到的地層巖性主要有:人工雜填土、砂卵礫石及含礫石砂土，一般厚度0.2 m～2 m;第四系風(fēng)積細(xì)砂覆蓋，厚0.3 m～2 m 不等;風(fēng)洪積(Q43eolp)細(xì)砂夾黃土狀土透鏡體，該層一般厚4 m～9 m，中部段較薄，層厚0.5 m～2 m，層中夾黃土狀土透鏡體由下游至上游漸薄，起始段黃土狀土最厚達(dá)5 m;沖洪積(Q4alp)砂卵礫石，厚度大于10 m。工程勘探范圍內(nèi)未揭示出地下水，地下水對(duì)工程無(wú)影響。大部分管線布置于耕地中。

該工程泵站設(shè)計(jì)提水流量1.1 m3/s，前池設(shè)計(jì)水位1762.48 m，出水池設(shè)計(jì)水位1841.30 m，幾何揚(yáng)程78.82 m，總揚(yáng)程134.85 m。

2 管道選材

2.1 初步比選

1)工程特點(diǎn)

本工程項(xiàng)目區(qū)地處某河流沖洪積灘地，灘地大部分被現(xiàn)代活動(dòng)沙丘覆蓋，部分已被人為改造為耕地，地形開(kāi)闊，地勢(shì)平坦。供水管線可沿地形順勢(shì)而上埋置于凍土深度以下即可，管線縱向轉(zhuǎn)角均小于6°。本工程為泵站提水管線工程，單級(jí)總揚(yáng)程近135 m，泵后管道內(nèi)水壓力較大，隨后逐漸降低，從節(jié)省工程投資角度，可考慮分段組合使用管材，壓力較大段采用鋼管，壓力較小段在保證工程安全前提下選擇其他管材。

2)不同管材特見(jiàn)表1。

表1 不同管材特點(diǎn)對(duì)比表

通過(guò)對(duì)以上管材特性的初步分析，各種管材承壓強(qiáng)度及管徑選擇范圍基本都可滿足本工程需要，玻璃鋼夾砂管對(duì)管槽開(kāi)挖和回填工藝要求較高，專業(yè)性安裝要求高，增加了施工難度，增加了安裝費(fèi)用，對(duì)長(zhǎng)距離輸水管線而言質(zhì)量控制較難，因此不考慮選用;PCCP 管重量大，施工安裝不方便，施工速度難以滿足工程進(jìn)度需求，同時(shí)，如何選用合適的方法對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)至今尚未完全解決，特別是鎂金屬塊和通電流量的大小較難把握，故不考慮選用。

綜上，本文重點(diǎn)對(duì)鋼管、離心球墨鑄鐵管進(jìn)行比較。

2.2 管道規(guī)格確定

本工程輸水管道設(shè)計(jì)流量1.1 m3/s，管道最大工作水頭約80m，根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》(SL 310-2019)、《給水及燃?xì)庥们蚰T鐵管、管件和附件》(GB/T 13295-2019)等規(guī)程規(guī)范，初步選定鋼管、離心球墨鑄鐵管的管道規(guī)格，具體見(jiàn)表2。

表2 管材規(guī)格初選

2.3 管道經(jīng)濟(jì)比選

本節(jié)將對(duì)初步選擇的鋼管、球墨鑄鐵管等2 種管材的4種規(guī)格進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，為使比較結(jié)果準(zhǔn)確、全面，管材單價(jià)根據(jù)國(guó)內(nèi)多家生產(chǎn)廠的報(bào)價(jià)確定，報(bào)價(jià)均為工地價(jià)。由于管徑的差別較小，下文比較時(shí)忽略土建工程費(fèi)用。工程運(yùn)行費(fèi)按照工程合理使用年限50 年進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 管材經(jīng)濟(jì)比較

2.4 管材規(guī)格選定

從表2 可以看出，四種規(guī)格的管道均能滿足工程需求，由于鋼管的糙率低于球墨鑄鐵管道，因此球墨鑄鐵管道的水頭損失普遍大于鋼管，其中以DN800 球墨鑄鐵管道的損失最大。從表3 可以看出，四種規(guī)格管材及運(yùn)行費(fèi)用中，DN900 鋼管總費(fèi)用最高，DN800 鋼管次之，DN800 和DN900 的球墨鑄鐵管道(K7)價(jià)格相對(duì)較低。

本工程為泵站提水工程，泵站匯總管后管段為全管段水頭最高點(diǎn)，之后逐漸降低。綜合考慮工程安全性及經(jīng)濟(jì)性:鋼管由于其接口處采用焊接方式，故整體性及穩(wěn)定性優(yōu)于球墨鑄鐵管，對(duì)于泵站后管段的高水頭有更好的適應(yīng)能力及安全保障，而DN800(K7 級(jí))離心鑄造球墨鑄鐵管道的綜合費(fèi)用較低且能滿足泵站壓力管道的設(shè)計(jì)要求。經(jīng)綜合考慮，本工程管材選用方案為:泵站匯總管后至樁號(hào)1+713.23 段采用螺旋焊接鋼管，管徑為DN800;樁號(hào)1+713.23 至末端出水池段采用球墨鑄鐵管(K7 級(jí))，管徑為DN800。

3 壓力管道設(shè)計(jì)

本工程泵站壓力管道長(zhǎng)7609 m，泵站匯總管后至樁號(hào)1+713.23 段采用螺旋焊接鋼管，管徑為DN800 mm;樁號(hào)1+713.23 至末端出水池段采用球墨鑄鐵管(K7 級(jí))，管徑為DN800 mm。兩種管材連接處采用法蘭連接。有壓輸水管道盡量順地形鋪設(shè)，避免大的墊方和深挖方，最大縱坡不宜大于1∶1.5，盡量設(shè)計(jì)為順坡。穿越公路時(shí)必須滿足相應(yīng)行業(yè)保護(hù)厚度，且穿越段盡量順直穿越。管線整體埋深應(yīng)在凍土層以下。經(jīng)計(jì)算分析后，在上凸轉(zhuǎn)彎處設(shè)補(bǔ)排氣閥，管道轉(zhuǎn)彎處設(shè)鎮(zhèn)墩。

3.1 壓力管道水力計(jì)算

根據(jù)武漢大學(xué)《水力計(jì)算手冊(cè)》(第二版)，壓力管道的沿程水頭損失按下式計(jì)算[1]:

式中:hf為管道的沿程水頭損失，m;L為管道的長(zhǎng)度m;d為管道的內(nèi)徑m;v為管道過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉伲琺/s;g為重力加速度; 為沿程水頭損失系數(shù)。

式中:C為謝才系數(shù);n為糙率;R為水力半徑,m。

根據(jù)以上公式，壓力管道的水力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 壓力管道水力計(jì)算表

3.2 管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

(1)埋設(shè)管道的最大豎向變形計(jì)算

1)計(jì)算公式

根據(jù)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版，埋設(shè)管道最大豎向變形計(jì)算公式[2]如下式所示:

式中:Wd,max為管道在荷載作用下的最大豎向變形，m;DL為變形滯后效應(yīng)系數(shù)，取1.5;Kd為管道變形系數(shù)，按管道基礎(chǔ)中心角2 ≥90°時(shí)，取0.1 計(jì)算;Fsv，k為每延米長(zhǎng)管道管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m;q為地面荷載(車(chē)輛荷載或堆積荷載)對(duì)管道的作用，其準(zhǔn)永久值系數(shù)，q=0.5;D0為管道的計(jì)算直徑，為管道處徑-管道壁厚(DE-e)，m;qvk為車(chē)輪荷載傳遞到管頂處的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;S為管材的環(huán)剛度，kN/m2;Ed為管側(cè)土的綜合變形模量，kN/m2。

2)管材環(huán)剛度S的確定

管材環(huán)向彎曲剛度是指管道抵抗環(huán)向變形的能力，簡(jiǎn)稱環(huán)剛度。可采用測(cè)試方法定值或計(jì)算方法定值，單位為kN/m2。由于管材的環(huán)剛度與彈性模量有關(guān)，而彈性模量容易受工藝、材質(zhì)、溫度等的影響，需實(shí)際測(cè)量確定，所以計(jì)算數(shù)值僅作理論參考。本節(jié)對(duì)離心球墨鑄鐵管(K7)選取最不利的管材公稱壓力等級(jí)工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

根據(jù)掌握的K7 級(jí)離心球墨鑄鐵管道的環(huán)剛度實(shí)測(cè)值，本節(jié)也進(jìn)行了理論計(jì)算，進(jìn)一步復(fù)核實(shí)測(cè)值，由于計(jì)算環(huán)剛度較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏大，為安全起見(jiàn)，采用實(shí)測(cè)值，離心球墨鑄鐵管道的實(shí)測(cè)環(huán)剛度和理論計(jì)算環(huán)剛度見(jiàn)表5。

表5 離心球墨鑄鐵管環(huán)剛度

3)荷載的確定

①豎向土壓力的確定

式中:P1為作用在管道上的豎向土壓力，kN/m2;γ為管頂回填土的重度，取18 kN/m3;H為管頂覆土高度，按設(shè)計(jì)取1.5 m。

②地面汽車(chē)荷載傳遞到埋地管道上的豎向壓力的確定

（4）布置方格網(wǎng)測(cè)點(diǎn)：首先采用長(zhǎng)200cm，寬150cm的方格網(wǎng)對(duì)每一個(gè)碾壓試驗(yàn)單元進(jìn)行布置，并在面板堆石壩的試驗(yàn)填筑區(qū)設(shè)置了一些控制基樁。為了便于采用水準(zhǔn)儀測(cè)量面板堆石壩碾壓施工后的沉降測(cè)量，對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格測(cè)點(diǎn)設(shè)置了不同的顏色和編號(hào)，并放置了水準(zhǔn)尺墊。

式中:nc為輪壓的數(shù)目，2。

③地面堆積荷載的確定

根據(jù)《給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332-2002)，地面堆積荷載的值取P3=10 kN/m2。

管頂設(shè)計(jì)覆土深度H=1.5 m，則荷載的標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表6。

表6 荷載列表

4)管側(cè)土的綜合變形模量Ed的確定

式中:Ee為管側(cè)回填土在壓實(shí)密度下的變形模量，MPa; 為與Br(管中心處槽寬度)和D1的比值及Ee與基槽兩側(cè)原狀土變形模量的比值有關(guān)的參數(shù)。

取回填土的彈性模量為5 MPa， 原狀土的彈性模量為7 MPa， 則根據(jù)GB 50332-2002 附錄A 可以得到不同管徑條件下的Ed值見(jiàn)表7。

表7 管側(cè)回填土彈性模量

5)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算理論對(duì)管道在直埋(管頂覆土1.5 m)和過(guò)車(chē)(管頂覆土1.5 m+汽車(chē)荷載)2 種工況下的豎向變形進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表8、表9。

表8 管道變形量計(jì)算表(管頂覆土1.5 m)

表9 管道變形量計(jì)算表(管頂覆土1.5 m+汽車(chē)荷載)

從表8、表9 可以看出，在直埋(管頂覆土1.5 m)和過(guò)車(chē)(管頂覆土1.5 m+汽車(chē)荷載)的工況下，球墨鑄鐵管豎向變形量均能滿足規(guī)范要求。

(2)管壁截面的環(huán)向穩(wěn)定性計(jì)算

1)計(jì)算公式

根據(jù)《給水排水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50332-2002)，管壁截面的環(huán)向穩(wěn)定計(jì)算公式[3]:

式中:Fcr,k為管壁失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;Fv,k為管頂在各項(xiàng)作用下的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2;Ks為管道的環(huán)向穩(wěn)定性抗力系數(shù)，大于2。

2)管壁失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值確定

式中:S為管材環(huán)剛度，kN/m2;Ed為管側(cè)土的綜合變形模量，kN/m2;vp為管材泊松比，離心球墨鑄鐵管取0.3。

3)管頂在各項(xiàng)作用下的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值確定

式中:γs為管材環(huán)剛度，kN/m2;Hs為管側(cè)土的綜合變形模量，kN/m2;qvk為車(chē)輪荷載或堆積荷載(取兩者中較大值)傳遞至管頂處豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值,kN/m2。

對(duì)管壁的環(huán)向穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。

從表10 可以看出，球墨鑄鐵管管壁環(huán)向穩(wěn)定性均能滿足規(guī)范要求。

表10 管道的環(huán)向穩(wěn)定計(jì)算表

4 結(jié)語(yǔ)

泵站出水管為連接水泵出口和出水池的管道，是泵站至關(guān)重要的部分，雖然管道本身的構(gòu)造簡(jiǎn)單，但其選材及設(shè)計(jì)會(huì)直接影響工程投資、影響水泵的運(yùn)行效率及運(yùn)行費(fèi)用。不合理的設(shè)計(jì)會(huì)引起水泵的汽蝕和振動(dòng)，甚至引起管道破裂，嚴(yán)重的影響了泵站的運(yùn)行安全[4]。泵站提水工程的泵站匯總管后管段為全管段水頭最高點(diǎn)，之后逐漸降低。綜合考慮工程安全性及經(jīng)濟(jì)性:鋼管由于其接口處采用焊接方式，故整體性及穩(wěn)定性優(yōu)于球墨鑄鐵管，對(duì)于泵站后管段的高水頭有更好的適應(yīng)能力及安全保障，而離心鑄造球墨鑄鐵管道的綜合費(fèi)用較低，經(jīng)上文計(jì)算，其豎向變形及環(huán)向穩(wěn)定均可滿足工程需要。將球墨鑄鐵管用于泵站出水管高水頭后管段可在保障工程安全的前提下大幅降低工程投資，提高泵站提水工程的綜合效益。