湛江市引調水工程輸水管材選擇

程歡歡，段民華

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510640)

我國水資源時空分布不均，從空間分布上看，南豐北缺，部分地區水資源短缺的問題越來越突出，為了解決這一問題，興起了大型引調水工程。由于流量較大，引調水工程中多采用中大口徑管道輸水，管材的投資比重很大，選擇適當的管材能夠節約投資、便于施工、便于后期管理，因此在前期設計中進行充分的對比，選擇適當的管材對于引調水工程意義重大。

1 工程概況

湛江市引調水工程由取水口、引水隧洞、一級泵站、二級泵站、調壓塔、輸水管道等組成。在雷州青年運河發電樞紐上游東北側約500m處，鶴地水庫東岸興建取水口。取水口處設防洪閘，后接一條長約643m的引水隧洞(內徑3200mm)至泵站前池，隧洞末端設事故閘門。泵站加壓后接一條DN2800管道，從北往南沿主河東側荒地敷設。經由廉江市分水口后，沿東環大道東側及規劃道路廉湛快線西側敷設一條DN2600管道往南，途徑主河、化廉高速至遂溪分水口處二級加壓泵站，原水加壓后繼續往南穿G207國道、西溪河、G15沈海高速、廣湛鐵路、黎湛鐵路、G325國道，之后沿G325國道南側后向西至湛江大道，經湛江市分水口后輸水管道變為1條DN2000管道。管線繼續往南敷設至湖光快線，后沿湖光快線北側往西鋪設至西廳水庫備用水源處，最終往南至西廳水廠交水點。本方案管線總長約61.924km。

工程區為低山丘陵地貌，總體地勢北部較高，南部地勢開闊平坦，為海積及海陸混合堆積地貌。工程區基巖主要為泥質粉砂巖、炭質頁巖、頁巖等沉積巖和全風化砂巖、砂頁巖等，局部分布強風化巖碎塊或淤泥質土[1]。

2 管材介紹

根據本工程輸水流量及壓力，擬定管徑為DN1600--DN3000。中、大口徑輸水管道較常用的輸水管材有：鋼管(SP)、預應力鋼套筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管(DIP)、玻璃鋼夾砂管(FRPM)。

2.1 鋼管(SP)

鋼管因具有強度高、延展性好、管材和管件易于加工等優點在各行各業廣泛應用，在我國的大型長距離輸水工程中，鋼管的應用是最廣泛的。鋼管具有以下特點：

1)設計適應性強。我國目前在鋼管的生產及安裝技術方面已比較成熟，設計人員可以根據管道受力等選擇各種管徑、管型和管壁厚度鋼管；管道配件亦可按實際需要進行設計和制作，滿足多種管道連接要求[2]。

2)大管徑管道在安裝時需做除銹和防腐處理，防腐質量不易控制。

3)能適應各種地質條件，能用于穿河、穿路等跨越障礙物工程，抵抗外力影響能力較強，通常不需做管道地基處理。

4)中、大口徑管道接口采用現場焊接的方式，管道鋪設質量與焊接質量密切相關；施工進度易受天氣影響。

2.2 預應力鋼筒混凝土管(PCCP)

PCCP管是在八十年代從美國引進的技術，該管基于高強度鋼絲和預應力技術，相對于預制混凝土管具有更大的設計應力，相對于鋼管具有節約鋼材的特點，因此經濟性較好，具有鋼管和預制混凝土管的雙重優點，目前國內已具備管徑DN400mm～DN4000mm的生產能力。其主要特點有：

1)預應力鋼絲可根據管道承受的外荷載進行設計，承壓能力強。

2)管材本身為復合結構，在混凝土管芯和鋼筒的雙重保護下，抗滲能力較強。

3)依靠外部水泥砂漿保護層具有良好的防腐性能。但外部環境不利時外部水泥砂漿保護層容易被破壞；同時，運輸、安裝過程中的碰撞、震動也可能破壞砂漿保護層，影響防腐性能[3]。

4)采用承插口連接，安裝方便、快捷。

5)管材較重且管徑較大。

2.3 球磨鑄鐵管(DIP)

球墨鑄鐵管在我國市政供水行業已取得了長足的發展，近幾年在水利引調水行業也有良好的發展勢頭。其主要特點有：

1)管道采用離心工藝整體澆注，材質均勻，無薄弱點，具有較強的承壓能力，工作壓力0.4～2.5MPa，管頂覆土厚度最高可達5.8m。

2)防腐性能好。

3)連接為承插式接口，安裝方便、快捷。

2.4 玻璃鋼夾砂管(FRPM)

玻璃鋼夾砂管(FRPM)是以熱固性樹脂為基體、以玻璃纖維及其制品為增強材料、石英砂為骨料制成的復合管材。我國自20世紀80年代開始引入生產制造，廣泛應用于市政給水排水工程、水利工程等。玻璃鋼夾砂管的特點有：

1)可根據實際需求設計不同規格、壓力等級、剛度等級的產品，適用范圍廣；工作壓力通常在0.1～2.5MPa之間；管道環剛度為主要控制指標。

2)內壁光滑，糙率約為0.0084，相對于其他管材摩擦力較小，輸水能力較高。

3)由于管道為高性能樹脂和高強纖維的復合材料，耐腐蝕、抗凍、耐熱、防污抗蛀能力強。

4)自重較輕，采用承插式接口，運輸安裝快捷簡便。

國內制造廠已具備大口徑(DN1600～DN3000)的生產能力，但大口徑(≥2.5m)在水利工程中的應用實例較少，經驗不足。

管材力學性能比較見下表1。

表1 管材力學性能比較表

3 管道投資

依據工程設計方案，對管道投資進行計算，具體見表2。

表2 管道投資比較表

續表2 管道投資比較表

圖1 管材投資對比圖

由圖表可以看出，PCCP管在投資方面具備優勢，鋼管和球墨鑄鐵管價格均較高。

4 管材對比

在選擇管材時，在滿足設計要求的前提下主要從施工難易程度、后期運行維護條件及投資等幾個方面進行比選，從中選擇綜合性能最優的管材。下面就這幾個方面對上述常用的輸水管材進行比較分析。

4.1 設計要求

工程區地層多為結構松軟的淤泥質土、礫質土或黏性土等，工程輸水管道多次穿越國道、高速、鐵路等交通要道，穿越青年運河等建筑物，地形較復雜。鑒于玻璃鋼夾砂管在我國南方沿海地區多次報道過無征兆爆管現象，本工程不宜大量使用該管。而PCCP、鋼管和球墨鑄鐵管則適應性較強，可適應多種復雜地形，可用于跨越障礙物施工[4]。

4.2 施工條件

工程輸水線路較長，工程量較大，部分管段經過村莊、城鎮、市區等人口密集區域，施工需減少對周邊的影響，管道安裝要求盡量簡單、快速。鋼管因接頭需在現場焊接，施工速度相對較慢且容易受天氣影響；PCCP、玻璃鋼夾砂管和球墨鑄鐵管均可采用承插接口，施工速度較快；但PCCP管自重和管徑較大，運輸和安裝施工對于場地都有相對更高的要求。

另外，輸水管道穿越障礙物地層多為全風化砂巖、粉質黏土層等，局部有弱風化砂巖，部分不便于開挖埋管處擬采用頂管法施工。鋼管和球墨鑄鐵管均可用于頂管施工，施工方法相同，需在混凝土防護結構內穿管道施工[5]。PCCP管由于自身的復合結構，可省去防護結構，在用于頂管工程時具有施工簡單、節約成本、進度加快等優勢。

4.3 運營維護條件

隨著管道運維經驗的積累，以及相關學者對此的深入研究，人們對于各種管材在運行過程可能發生的問題有了更多的認識，在選擇輸水管材時自然會將運營維護條件納入考慮。引調水工程是關乎人民生活的重要工程，管線設計運行的安全性至關重要，這就要求管道在運行過程中爆管、滲漏等事故的發生率盡可能低，事故搶修速度盡可能方便快速。

美國作為PCCP發展較早的國家，在2008年即對該管進行過比較全面的事故統計和分析，發現其存在高水頭(0.6MPa以上)安全性偏低，漏損水量大，爆管后維修周期過長等問題。鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管因在國內使用經驗豐富，生產制造技術已取得較大進步，則能在多種水頭壓力情況下保持相對穩定的運行，且可采取一定的工程措施使得在管道出現事故后能盡快搶修。

各種管材性能比選見表3。

表3 不同管材結構性能比較表

經比較，鋼管和球磨鑄鐵管在多方面具備優勢，主要缺點為價格相對較高。隨后設計人員經實地調研，在工程區附近有球墨鑄鐵管和鋼管工廠，運輸距離短，供應及時穩定，滿足施工強度要求，且能在一定程度上節約投資。因此選擇球墨鑄鐵管作為主要管材，因球墨鑄鐵管最大口徑為DN2600，超過此管徑段以及跨河、穿路段采用鋼管。

5 結 論

本工程埋管工作壓力在0.9MPa左右，球磨鑄鐵管在滿足工作壓力的條件下，在多方面具備優勢，主要缺點為價格較高。為保證供水的安全性以及長期運營能力，主管材采用球墨鑄鐵管。因球墨鑄鐵管最大口徑為DN2600，超過此管徑段主管材采用鋼管。

從上文管材比選可以看出，各種管材各有優缺點，在做管材比選分析時，應結合工程具體情況，從管材安全可靠性、管材綜合價格、施工條件等方面綜合考慮。