湛江市鑒江供水工程海底輸水管道施工設(shè)計(jì)

張 華

（廣東水電二局股份有限公司,廣東 廣州 511300）

供水樞紐工程是指為了解決城市或地區(qū)的供水需求而建設(shè)的一系列水利設(shè)施和工程,其通常由水源工程、水質(zhì)處理工程、供水工程和分水工程等組成。其中,供水工程是指將處理好的水從水源地輸送到城市或地區(qū)的設(shè)施,供水工程主要包括輸水管道、泵站和調(diào)壓設(shè)備等,在輸水過(guò)程中,需要考慮水壓、水流量和輸送距離等因素,以確保供水的穩(wěn)定和高效[1]。供水工程對(duì)一個(gè)城市或地區(qū)的發(fā)展和居民的生活質(zhì)量有著重要影響,通過(guò)供水工程,可以為工業(yè)、商業(yè)和農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域提供充足的水資源,從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和增長(zhǎng)；還能夠?yàn)榫用裉峁┌踩煽康娘嬘盟?保障居民有足夠的優(yōu)質(zhì)飲用水,從而提升居民的生活質(zhì)量。在供水工程中,輸水管道設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵,輸水管道的建設(shè)可以提高供水工程的可靠性和穩(wěn)定性。

1 海底輸水管道施工方案研究

1.1 工程概況

湛江市鑒江供水樞紐工程由鑒江泵站提水加壓,以雙沉管方式直線穿過(guò)南三出海口,穿越南三島后采用盾構(gòu)方式穿過(guò)湛江灣出海口至東海島的蕃昌村前,將鑒江水輸入湛江鋼鐵基地的安全水池及紅星水庫(kù),輸水工程的輸水管道總長(zhǎng)約44 km。本標(biāo)段管線埋設(shè)中心線沿線有蝦塘、小丘陵、河道、洼地等,并需跨越南三島線路長(zhǎng),因此對(duì)外交通很不方便。特別是南三島沒有與陸路相連接的橋梁,所有建筑材料等施工物資都需由渡船運(yùn)輸,非常困難。

1.2 供水工程海底輸水管設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)供水工程海底輸水管道施工,本文對(duì)輸水管的選擇、布置、埋設(shè)位置以及管徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）管材選擇：目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)輸水管類型較多,本文詳細(xì)對(duì)比不同管材優(yōu)缺點(diǎn),從中選取最佳輸水管材料。對(duì)比分析結(jié)果見表1。

表1 不同排水管性能分析

基于表1 中的分析,可以看出PCCP 管的應(yīng)用效果更好,且這一管線的使用年限較長(zhǎng),對(duì)比其他管材,PCCP 管缺點(diǎn)較少,為此,本文在設(shè)計(jì)輸水管線時(shí),采用雙管形式,主管材為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）,局部為鋼管或鋼管外包砼。

（2）管線布置：為保證供水工程中的管線布局合理,在布置供水管時(shí)應(yīng)盡量沿著山梁布置,盡可能保障線路最短；同時(shí)優(yōu)先采用重力輸水,充分考慮供水工程的后期規(guī)劃,在布置管線時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)氐匦螚l件,降低布線開銷[2]。

（3）管道埋設(shè)：采用溝埋式安裝法（局部采用鋼管架空安裝）,開挖邊坡為1∶2～1∶2.5,沿線為小丘陵等較平緩地勢(shì)。地基多為粉細(xì)砂、細(xì)砂、中粗砂等天然基礎(chǔ),承載力較高,沿線尚未發(fā)現(xiàn)特大特殊工程地質(zhì)問(wèn)題。

（4）管徑設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)管徑時(shí)應(yīng)充分考慮水頭損失、流速以及流量等因素,并采用公式（1）計(jì)算管徑：

式中：D 為輸水管直徑；Q 為輸水管設(shè)計(jì)流量；v 為管道內(nèi)流速。

1.3 輸水管道防腐設(shè)計(jì)

當(dāng)完成供水工程海底輸水管設(shè)計(jì)后,需要設(shè)計(jì)有效的防腐方案,才能夠提高輸水管道質(zhì)量,從而延長(zhǎng)管道使用壽命。防腐設(shè)計(jì)分為兩種,一種為內(nèi)防腐設(shè)計(jì),另一種為外防腐設(shè)計(jì)。

（1）輸水管道外壁防腐設(shè)計(jì)：通常情況下,供水工程海底區(qū)域環(huán)境會(huì)對(duì)輸水管產(chǎn)生較大腐蝕性,因此需采用有效的防腐手段,對(duì)供水管道外壁進(jìn)行防腐處理[3]。先對(duì)鋼管外壁表面進(jìn)行噴砂除銹,之后采用底漆、面漆以及玻璃布材料組成管道外壁防腐層,其中面漆厚度大于0.6 mm,通過(guò)防腐層,保證鋼管外壁的防腐性能。

（2）輸水管道內(nèi)防腐設(shè)計(jì)：采用水泥砂漿襯里方式實(shí)現(xiàn)輸水管道內(nèi)防腐,這一技術(shù)具有較強(qiáng)的適用性。通過(guò)砂漿襯貼在管道內(nèi)壁上,構(gòu)成8 mm～18 mm 的附著層,從而隔離鋼管與輸送介質(zhì),這一防腐方式可以降低工程開銷,還能夠避免水體污染,避免管道受到輸送介質(zhì)的影響,因此可以有效實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)壁防腐。

（3）電化學(xué)防腐設(shè)計(jì)：由于供水工程海底區(qū)域的供水管存在電化學(xué)腐蝕,因此考慮電化學(xué)腐蝕特性,本文采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)方案,通過(guò)鋁—鋅—銦合金犧牲陽(yáng)極涂層,對(duì)每一供水管進(jìn)行保護(hù)。結(jié)合法拉第定律,在應(yīng)用犧牲陽(yáng)極保護(hù)方式時(shí),輸水管的使用年限可通過(guò)式（2）計(jì)算：

式中：W 為輸水管犧牲陽(yáng)極的重量；T 為保護(hù)年限；陽(yáng)極發(fā)生時(shí)的電流為I；η表示陽(yáng)極電流效率；F 為陽(yáng)極理論發(fā)電量。

1.4 輸水管空氣閥與控制閥設(shè)計(jì)

在輸水管的合理位置上布置空氣閥與控制閥,可以有效增強(qiáng)管線運(yùn)行的安全性,為此,本文在輸水管上配備空氣閥與控制閥。

（1）空氣閥設(shè)計(jì)：本文采用復(fù)合式空氣閥作為施工材料,由于供水工程輸水主管線約29.3 km、分管線約14.6 km,因此無(wú)法在中間配備排氣閥,僅能夠在兩端登陸點(diǎn)進(jìn)行裝置,同時(shí),由于海域段管道集氣,可能會(huì)因襲管道漂浮問(wèn)題,所以在管道敷設(shè)過(guò)程中,需保證排水管內(nèi)空氣排凈,之后在兩端登陸點(diǎn)裝置雙復(fù)合式排氣閥,具體規(guī)格為DN150,通過(guò)這一排氣閥,起到同時(shí)排氣作用。

（2）控制閥設(shè)計(jì)：為保證供水工程為沿途配水點(diǎn)均衡供水,需在加壓泵站的進(jìn)水口裝置一個(gè)控制閥,從而控制出水口壓力。先將控制閥前端管道水頭抬高,避免管線高點(diǎn)出現(xiàn)半管流狀態(tài),以免破壞管道,之后采用DN800 活塞式控制閥,將其布置在加壓泵站的進(jìn)水管道上,保證管道沿途供水點(diǎn)壓力得到控制,從而提升供水管安全性。

1.5 調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)池可以儲(chǔ)存一定量的供水,作為供水工程的儲(chǔ)備水源。同時(shí),調(diào)節(jié)池還可以通過(guò)控制進(jìn)出水口的閥門開度,調(diào)節(jié)供水工程中的水壓,因此,通過(guò)調(diào)節(jié)池可以有效保持輸水管網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行還能夠減少水錘現(xiàn)象。為此,本文為輸水管網(wǎng)工程設(shè)置調(diào)節(jié)池,從而調(diào)節(jié)管道系統(tǒng)中水流量和壓力。將調(diào)節(jié)池節(jié)點(diǎn)設(shè)置在沿管線最高峰段末端,在布置過(guò)程中,需保證調(diào)節(jié)池的通氣管具有足夠的補(bǔ)氣能力,還需要保證調(diào)節(jié)池蓄水容積量夠大。同時(shí),為保證調(diào)節(jié)池為無(wú)壓水池,需在調(diào)節(jié)池上布置φ250 的通氣管,通氣管進(jìn)氣口可設(shè)置在隱蔽位置。

1.6 輸水管施工方式設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)輸水管施工方案之前,需提前布置管道周圍鎮(zhèn)墩與擋樁等設(shè)施：

（1）鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)：為增強(qiáng)輸水管穩(wěn)定性,并提高其抗浮性能,在管道每間隔10 m 位置放置一沙袋鎮(zhèn)墩,設(shè)計(jì)鎮(zhèn)墩長(zhǎng)為2 m。

（2）擋樁設(shè)計(jì)：在輸水管兩側(cè)接近登陸段區(qū)域布置擋樁,采用鋼制擋樁間距在50 m 左右,共布置三排,通過(guò)擋樁增強(qiáng)管道穩(wěn)固性。

當(dāng)完成輸水管道周圍固定設(shè)施設(shè)計(jì)后,即可開始管道挖溝施工,本文采用后挖法進(jìn)行施工處理：先通過(guò)敷管船將管道布置在海床上,之后通過(guò)沖吸式水力挖溝機(jī),采用高壓沖水方式,將管道周圍砂土沖至溝槽兩側(cè),使管道固定于溝槽中,可根據(jù)沖刷深度合理調(diào)整埋深。具體輸水管施工方案見圖1。

通過(guò)圖1 步驟實(shí)現(xiàn)輸水管施工,當(dāng)施工完成后,需對(duì)管道進(jìn)行整理與防護(hù)。

（1）輸水管檢查：當(dāng)輸水管沉入海底后,需要對(duì)管線安全性進(jìn)行查驗(yàn),通過(guò)潛水人員檢查輸水管線路,若管線周圍存在礫石,則需要立即清理,若無(wú)法移動(dòng)礫石,則需采用混泥土墊平。

（2）管道壓力檢查：當(dāng)施工完成后,在排水管首端裝置壓力表,并關(guān)閉出水閥,分析在24 h 內(nèi)壓力是否存在變化,從而驗(yàn)證管道是否存在漏水問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為分析本文設(shè)計(jì)輸水管施工方案的有效性,對(duì)該施工方案進(jìn)行仿真分析,通過(guò)仿真軟件模擬施工步驟,分析施工結(jié)束后該方案的應(yīng)用效果。

分析泵站不同機(jī)組開機(jī)后的水頭損失等指標(biāo)變化情況,分析結(jié)果見表2。

表2 開機(jī)后水頭損失與流量變化分析

根據(jù)表2 可知,當(dāng)開機(jī)機(jī)組數(shù)量增加后,輸水管總流量也得到了提升,同時(shí)水泵效率也逐漸加大,在本文設(shè)計(jì)的施工方案下,輸水管總流量處于較高水平,可以高效率完成排水任務(wù),同時(shí),該施工方案所產(chǎn)生的水頭損失較低,當(dāng)4 臺(tái)機(jī)組開機(jī)時(shí),水頭損失僅為8.211 m,因此本文設(shè)計(jì)的施工方案可以有效降低供水工程的經(jīng)濟(jì)損失。

模擬地震荷載對(duì)輸水管的影響,設(shè)地震加速度為0.1g,地震周期為0.5 s,分析在地震作用下輸水管的橫向與軸向應(yīng)力,從而驗(yàn)證該施工方案在地震環(huán)境下產(chǎn)生的變化,分析結(jié)果見圖2。

圖2 地震荷載對(duì)輸水管的影響

根據(jù)圖2 可知,在地震變形動(dòng)力作用下,輸水管道的軸向與橫向應(yīng)力均呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài),但橫向、豎向應(yīng)力并不高,說(shuō)明地震作用對(duì)管道產(chǎn)生的附加作用力相對(duì)較小,其中,橫向應(yīng)力明顯處于極小水平,由此可以看出,在地震作用下,本文設(shè)計(jì)的輸水管道不會(huì)受到嚴(yán)重影響,因此具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性,當(dāng)受到外圍環(huán)境影響時(shí),依然可以保持良好的安全效果。

3 結(jié)論

針對(duì)湛江市鑒江供水樞紐工程,設(shè)計(jì)供水工程海底輸水管道施工方案,通過(guò)輸水管道設(shè)計(jì),提高管道的耐腐蝕性,并優(yōu)化管道質(zhì)量；同時(shí)針對(duì)這一輸水管施工結(jié)果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析,模擬驗(yàn)證輸水管在供水時(shí)的應(yīng)用效果,獲取該施工方案的應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)可以現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ),繼續(xù)對(duì)輸水管建設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化,提高設(shè)計(jì)能力,從而設(shè)計(jì)出經(jīng)濟(jì)效益更高的供水工程輸水管施工方案。