小直徑PCCP管在深溪河水庫輸水工程中的設計與優化研究

中圖分類號：TV672 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0112-04

Abstract：Inordertoaddressregional waterresourceshortages，thispaperfocusesontheoptimizationdesignofsmaldiameterprestressdconcretecylinder pipes （PCCP）forthe ShenshuiRiver Reservoir waterconveyanceproject.Byanalyzing the characteristicsoftheproject，theperformanceofPCCPmaterials，andconstructionconditions，areasonabledesignschemeis proposed.Theoptimizationprimarilytargetsaspectssuchaspipelinestructure，jointforms，andanti-corosionmeasureswithan aimtoenhancebotheconomiceficiencyandreliabilityoftheprojetTheresearchfindingsindicatethatsmall-diameterPCCP pipescanmtengineeringrequirements;throughoptimizeddesign，itisposibletoefectivelyreduceprojectcostswhile extending service life，providing a reference for similar water transmisson projects.

Keywords：smalldiameterPCCPpipe;ShenxiRiverReservoir;waterconveyance project;pipelinedesign;optimizationdesign

水資源短缺是制約區域經濟社會可持續發展的關鍵性難題，在水資源時空分布不均的地區尤為重要。實現水資源的高效調配與合理利用，已成為當前水利工程領域亟待解決的課題。深溪河水庫輸水工程作為緩解區域水資源供需矛盾的重點基礎設施項目，其設計方案的合理性、施工質量的可靠性與工程的經濟效益及穩定運行相關。近年來，預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP）因其優異的力學性能、卓越的抗滲能力以及較長的使用壽命，在輸水工程領域得到了廣泛應用。然而，傳統大直徑PCCP管在中小型輸水工程中面臨建設成本高、施工工藝復雜等問題，限制了其在更廣泛場景中的應用。針對上述問題，本文以深溪河水庫輸水工程為研究對象，采用小直徑PCCP管進行優化設計。通過系統分析工程區域的水文地質條件、管材力學性能及施工技術特點，提出了一套兼具經濟性與可靠性的輸水管線設計方案。研究重點聚焦于管道結構優化、接口形式創新及防腐措施改進等關鍵技術環節，旨在協同提升工程性能與經濟效益。

1 項目概況

本項目屬于小型（1）類別，最大壩體高度達到 63m 總庫容量為 2.779×10⁶m³ ，調節庫容則為 2.08×10⁶m³ 。該水庫的正常蓄水位設定在海拔 1300m 處，而死水位位于 1275m ;壩頂高程則達到了 1305m 。此工程旨在灌溉約2.62萬畝（1畝約等于 667m² 的土地，并滿足1.61萬人的安全飲水需求，設計年供水量總計6.412×10⁶m³ ，引用流量的設計值為 0.912m³/s. 。輸水系統的起點設于深溪河水庫大壩下游區域，隨后沿著河流走向鋪設至九門村灣口上方已有的引水隧道入口位置，再通過現有隧道延伸至龍橋村張家灣附近，最終形成2路分支：一路向紅烈方向輸送水資源，另一路則通往十兩坪地區。整個輸水管線長度約為 14055m 所選用的管材規格范圍從DN500到DN700不等，具體材料為預應力鋼筒混凝土管（PCCP）。此外，考慮到項目所在地的地理環境及未來可能面臨的挑戰，本方案還特別強調了對于管道材質的選擇以及施工技術的應用，以確保長期穩定供水的同時，最大限度地減少對自然生態的影響。通過對當地氣候條件、地質構造等因素的綜合考量，項目團隊決定采用具有較高耐腐蝕性與良好抗壓性能的小直徑預應力鋼筒混凝土管（PCCP）作為主要輸送介質，這不僅有助于延長設施使用壽命，同時也能夠有效應對可能出現的各種復雜工況。

2 小直徑PCCP管

2.1 小直徑PCCP管簡介

小直徑PCCP管是一種復合結構管道，由內襯層一鋼筒層一外預應力混凝土層構成[2]。內襯層通常采用高分子材料，提供防腐蝕和光滑的內壁，便于水流；鋼筒層作為核心承載結構，賦予管道高強度和抗壓性能；外預應力混凝土層則通過預應力技術，增強了管道的整體剛度和抗裂性。此結構設計，使得PCCP在承受內外水壓、土壤荷載及環境侵蝕方面表現出色，常見PCCP管道的結構層次如圖1所示。

圖1常見PCCP管道的結構層次

小直徑PCCP管環向抗壓強度主要由預應力鋼絲和混凝土層共同承擔，計算公式為

式中： P_c 為管材的環向抗壓強度， MPa;f_py 為預應力鋼絲的屈服強度， MPa;A_ps 為單位長度內預應力鋼絲的截面積， mm²;D 為管材的平均直徑， mm ，通常取內徑與外徑的平均值； f_ct 為混凝土的抗拉強度， MPa;t_c 為混凝土層的厚度， mm 。

小直徑PCCP管軸向抗壓強度主要由混凝土層和鋼筒共同承擔，計算公式如下

P_a=f_cc×A_c+f_sy×A_S

式中： P_a 為管材的軸向抗壓強度， MPa;f_c 為混凝土的抗壓強度， MPa;A_c 為混凝土層的截面積， mm²;f_sy 為鋼筒的屈服強度， MPa;A_s 為鋼筒的截面積， mm² 。

2.2 PCCP管材性能

PCCP管材是一種由薄壁鋼筒、高強度預應力鋼絲纏繞層及混凝土外層組成的復合管材。內置鋼筒與預應力鋼絲纏繞層協同作用，顯著提升了管材的軸向與環向抗壓性能，使其能夠承受極高的內外水壓，特別適用于長距離、大流量的輸水工程3。在制造工藝方面，鋼筒與混凝土層通過高精度工藝實現緊密結合，配合嚴格的質量控制標準，確保了管材具有優異的抗滲性能，有效防正水分滲漏，從而保障輸水效率和水質安全。PCCP管材具有突出的耐久性特征，其耐腐蝕、耐磨損性能優異，可在惡劣環境條件下保持長期穩定運行。根據工程實踐表明，PCCP管材的設計使用壽命通常可達50a以上，顯著降低了工程全生命周期的維護成本。在施工適應性方面，PCCP管材兼具良好的柔韌性和結構強度，無論是埋地敷設還是架空安裝，均能適應復雜地形地貌的施工要求，PCCP管材各項參數性能見表1。

表1PCCP管材各項參數性能

2.3 施工條件

在PCCP管材施工過程中，需嚴格按照以下技術要求執行，以確保工程質量和管材安全。

第一，管溝準備。施工前應對管溝底部進行平整處理，清除尖銳硬物及其他可能損傷管材的雜物。必要時，應在管溝底部鋪設砂墊層或碎石層，以均勻分布荷載，防止管材因不均勻沉降或外力作用而受損。

第二，運輸與存放。PCCP管材在運輸過程中應采取有效的固定措施，避免管材因碰撞或滾動而損壞。存放時應選擇平坦、開闊的場地，并采取適當的防護措施，避免管材長時間暴露在日曬雨淋環境中，確保管材保持干燥清潔。

第三，管材連接。PCCP管材的連接通常采用橡膠圈密封承插式連接或法蘭連接。施工過程中應嚴格按照廠家提供的安裝指南操作，確保連接部位密封可靠，防止漏水現象發生。

第四，管溝回填。分層進行管溝回填，每層厚度不宜過大，并使用適宜的壓實設備均勻壓實，避免對管材造成過大的側向壓力。回填材料應選擇無尖銳顆粒、無腐蝕性成分的適宜材料，以保護管材免受損傷。

3 工程設計與優化應用

3.1 管線布置

管線盡量保持順直，主要沿現有道路或渠（溝）邊敷設，避開填方區、滑坡風險區以及可能受山洪威脅的地帶4。通過優化線路布置，減少拆遷量，避免占用良田，最大限度減少植被破壞。使管道埋設施工及后期維護更加便捷，確保運行安全可靠。本項目優化管線布置，管道從大壩起點沿深溪河下游右岸道路敷設至隧洞進口，進人隧洞后穿越至龍橋村的干溝灣，從干溝灣繼續布管至龍橋村張家灣附近，最終分別引水至紅烈村與灣潭十兩坪。

3.2管道埋深與抗浮

埋地管道的埋置深度是工程設計中的關鍵參數，其確定直接影響土方開挖量、回填量以及工程總體投資。因此，抗浮計算不僅是確保工程安全的重要環節，也是控制工程投資的關鍵因素。在輸水管道的抗浮計算中，通常按空管工況進行設計。為簡化計算過程，取1延米管道作為計算單元，并假定地下水位完全浸沒管道。具體計算公式如下

式中： ΣF_GK 為各種抗浮作用標準值之和； ΣF_fw，k 為浮托力標準值； K_f 為抗浮穩定性抗力系數， K_f?1.1 ，本項目取 K_f=1.3 。

各種抗浮作用標準值 ΣF_GK 采用下式計算

G_±=γ_sH_sD

式中： G_± 為管頂上土重； γ_s 為土的浮容重，取 8kN/m³ H_s 為管頂覆土深度， 為管道的最大外徑；G 管為管材自重，按管材規格取值。

浮托力標準值 采用下式計算

式中： γ_w 為水的容重，取 10kN/m³ 。

將 ΣF_GK 與 ΣF_fw，k 的計算式和數值代入抗浮公式中得到下式

3.3 管道敷設

在管道安裝前，須對管道內部、承口及插口進行徹底清理，確保無雜物殘留。管道安放時應保持平直，安裝過程中需確保管道正確就位，管口縱向間隙應嚴格控制在 5mm 以內，轉角偏差應調整至 -1^°～1^° 的允許范圍內。為便于安裝，應在插口的橡膠圈和承口工作面上均勻涂刷無腐蝕性的潤滑油。對于鋼管、閥門及法蘭的布設，應采取有效的防腐措施。焊接作業時，應嚴格控制焊縫質量，確保其符合相關技術標準；采用螺栓連接時，應嚴格按照規范要求進行操作，以保證連接的可靠性和密封性。

3.4 溝槽回填

在壓水試驗前，管頂覆土厚度應達到 50cm ；待壓水試驗合格后，方可進行覆土回填至設計標高。回填土應對稱分布于管道兩側，確保受力均勻。在管頂以下區域，采用輕型壓實設備進行分層碾壓，每層回填厚度不得超過 15cm ，壓實度需達到 93% 。回填過程中應采取有效措施防止管道上浮或位移。管頂以上50cm 范圍內的覆土，同樣采用輕型壓實設備分層碾壓，每層厚度不得超過 20cm ，壓實度需達到 90% 。地面以下 20cm 范圍內的覆土，壓實度需達到 85% 。對于漏壓部位，應采用小型壓實設備進行補壓，確保整體壓實質量。回填完成后，溝槽開挖產生的多余土方應原地攤鋪整平，并使用壓路機壓實，盡量實現棄渣的就地消化。對于局部地段過剩的土方，應采用自卸汽車運輸至指定的棄土場地，以利于原地形地貌的恢復，減少對環境的影響。小直徑PCCP溝槽回填區域壓實度示意如圖2所示。

單位：mm

圖2小直徑PCCP溝槽回填區域壓實度示意圖

4結束語

綜上所述，本文針對深溪河水庫輸水工程中小直徑預應力鋼筒混凝土管（PCCP）的應用進行了優化設計，通過分析項目概況和小直徑PCCP管的性能與施工條件，提出了一套兼具經濟性、可靠性的輸水管線設計方案。該方案不僅滿足了工程的技術要求與運行需求，還充分考慮了環境保護與可持續發展原則，為同類工程提供了具有參考價值的設計范式與實踐經驗。隨著水利工程技術體系的不斷完善與創新，小直徑PCCP管將在更廣泛的應用場景中發揮其技術優勢，為水資源的高效調配與可持續利用提供可靠的技術支撐。

參考文獻：

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