常陸軍

(新疆昌吉方匯水電設計有限公司，新疆 昌吉 831100)

新疆自治區(qū)地處西北內(nèi)陸，氣候干旱少雨，區(qū)內(nèi)大面積水資源匱乏，且分布極度不均，很多經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)用水矛盾日益突出。因此在“一帶一路”新政策背景下，設計科學合理、經(jīng)濟實用的供水管道、人為調(diào)節(jié)水資源平衡已成為保證該地區(qū)經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的必要手段。

1 工程概況

呼圖壁縣工業(yè)園化工工業(yè)區(qū)位于大豐鎮(zhèn)北部，用地面積4291.74hm2。由于呼圖壁縣煤炭資源豐富，工業(yè)區(qū)將重點發(fā)展煤焦化、煤化工、有色金屬冶煉等產(chǎn)業(yè)，必然會顯著帶動當?shù)亟?jīng)濟的快速發(fā)展。根據(jù)相關測算，工業(yè)區(qū)近期(2020年)需水量為1605.68萬m3/a，遠期(2030年)需水量為2922.68萬m3/a，當?shù)毓┧?guī)模遠達不到該標準，因此設計一條全長約28.1km管道，以保證工業(yè)園的日常用水。

2 工程地質(zhì)條件分析

依據(jù)工程布置方案，供水管線起始于呼圖壁熱電廠管道預留分水口，終點至呼圖壁縣化工工業(yè)園區(qū)。經(jīng)地質(zhì)勘查得出管路沿線地形、巖性及地基土物理、力學性質(zhì)等參數(shù)。

2.1 工程地質(zhì)條件

項目區(qū)在地貌上處于河流沖洪積平原中上游，地面高程540～647m，地形開闊、平坦，總體地勢呈東南高，北西低，管道沿線主要分布有農(nóng)田、耕地、林帶及渠道等。

根據(jù)勘探揭露，項目區(qū)地層主要為第四系沖洪積卵礫石及低液限粉土層，層厚0.3～2.0m，其物理力學性質(zhì)見表1。該低液限粉土層具有中等壓縮性，工程地質(zhì)條件較差[1]。

表1 表層巖性物理力學性質(zhì)

2.2 工程地質(zhì)評價

2.2.1 地基土凍脹性評價

項目區(qū)標準凍深約1.5m，根據(jù)顆分試驗，卵礫石中粒徑小于0.075mm顆粒含量為2.1%～9.5%，為非凍脹性土；低液限粉土中粒徑小于0.075mm顆粒含量為57%～87%，為凍脹性土。

2.2.2 地基土濕陷性評價

地基土濕陷性對管道建設影響較大，在此利用公式(1)計算項目區(qū)地基土總濕陷量ΔS[2]。經(jīng)計算，本項目低液限粉土層總濕陷量ΔS=33.3～343mm，濕陷性范圍在輕微(Ⅰ級)—中等(Ⅱ級)。

ΔS=∑β·δsi·h

(1)

式中，β—修正系數(shù)，取1.5；δsi—土的濕陷系數(shù)；h—土層厚度，mm。

2.2.3 地基土腐蝕性評價

3 供水管道優(yōu)化設計

3.1 供水方案確定

3.1.1 各類管材比選

初步設計本工程管道設計輸水總流量0.93m3/s，全程自壓，管道首段靜水壓力19.11m，末端靜水壓力171.73m，根據(jù)管道內(nèi)靜水壓，管道需承壓0.6～2.5MPa。根據(jù)該項目管道較長、沿線交叉建筑較多、管材承壓較大等特點，設計供水管材從以下3種進行選?。呵蚰T鐵管(DIP)、預應力鋼套筒砼管(PCCP)、涂塑鋼管[3]。

表2 各類管材優(yōu)缺點對比

3.1.2 供水方案比選

根據(jù)沿線地質(zhì)情況及不同管材特點，排除適應地基變形較差的預應力鋼套筒砼管[4]。在此初步對以下3種輸水管材方案進行比選，具體如下。

方案一：全程PCCP管

該方案設計全程采用PCCP管，根據(jù)需水量雙管鋪設，設計單管流量為0.651m3/s，管材承壓范圍在0.6～2.5MPa，總造價約為9108.8萬元。PPCP管承壓高、壽命長，完全滿足使用要求。

方案二：PCCP管+球墨鑄鐵管

該方案設計樁號0+000—11+500為PCCP管，總長度為11.5km；樁號11+500—28+100為球墨鑄鐵管，總長度16.6km。雙管鋪設，設計單管流量為0.651m3/s，總造價約8391.9萬元。

方案三：全程涂塑鋼管

該方案設計全程采用涂塑鋼管，雙管鋪設，設計單管流量為0.651m3/s，各個參數(shù)滿足使用要求，總造價約9532.5萬元。

從使用壽命、抗壓能力等考慮，3種方案均滿足要求。但樁號0+000—12+000段沿線穿越農(nóng)田、道路及渠道較多，對承受外壓要求高，本段宜使用PCCP管；樁號12+000—28+100段地層有一定濕陷性和腐蝕性，而球墨鑄鐵管具有強度高、防腐劑好、良好可撓性和伸縮性等特點，因此適宜選用[5]。所以，最終確定方案二為本項目的最終施工方案。

3.2 供水管道水力計算

3.2.1 管徑確定

管徑是輸水管道最為重要的參數(shù)之一，決定了供水能力、工程成本等，本項目采用經(jīng)濟流速法確定管徑d，計算公式見式(2)[6]。經(jīng)計算，選用內(nèi)徑600mmPCCP管和球墨鑄鐵管即可，承壓范圍0.6～2.0MPa。

(2)

式中，Q—單管流量，m3/s；v—經(jīng)濟流速，1.0～3.0m/s；

3.2.2 管道沿程水頭損失

管道沿程水頭損失是由于水流與管道內(nèi)壁摩擦而消耗的機械能。當沿程水頭損失較大時，會直接影響單位時間輸水量。沿程水頭損失hf計算公式見式(3)，經(jīng)計算其范圍在0.0～0.32m，能夠保證流速在1.3m/s，因此本項目不用中途設泵站加壓。

(3)

式中，L—管長，m；Q—單管流量，m3/s；m—流量指數(shù)；f—管道摩阻系數(shù)；d—管道內(nèi)徑，m；b—管徑指數(shù)。

3.3 球墨鑄鐵管連接要點分析

球墨鑄鐵管連接是本工程的施工重難點，在此對其連接要點進行詳細說明分析。

3.3.1 密封膠圈安裝

將T型承口工作面槽內(nèi)雜物清理干凈，檢查另一支管插口和膠圈要保持干凈。將膠圈裝入承口凹槽(DN800以下把膠圈捏成8字型；DN800以上膠圈捏成三等分或梅花形)，給膠圈內(nèi)表面和插口接觸面涂以潤滑油，如圖1所示。

圖1 密封膠圈安裝示意圖

3.3.2 管道連接

第一支管下溝槽時承口順著水流方向，管徑d>400mm時，采用專用設備吊入溝底。之后利用管用鋼絲繩和導鏈拉入承口。在此注意：裝配內(nèi)外涂絕緣與環(huán)氧陶瓷管，繩索應套膠管，包括鉤頭、導鏈用橡膠保護，以免外壁碰傷，如圖2所示。

圖2 管道連接示意圖

3.3.3 檢查膠圈密封性

在連接完成后，需要對膠圈位置、密封性進行檢查。在此利用一把薄窄鋼尺，繞著插口90°四點檢查膠圈壓縮比(如圖3所示)，本項目設計該值范圍在0.4～0.6。經(jīng)檢查，接口膠圈合格率達到100%。

圖3 膠圈壓縮比檢查示意圖

4 結(jié)語

輸水管道的鋪設對于呼圖壁縣化工工業(yè)園區(qū)的發(fā)展擴大意義重大，管道工程完成后，可解決2030年前工業(yè)園的用水矛盾，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。在設計輸水管道工程時，應緊密結(jié)合工程實際條件，本項目根據(jù)地質(zhì)條件不同將工程分為2段，前半段用PCCP管，后半段用球墨鑄鐵管，在滿足使用要求的前提下節(jié)省了成本，做到了因地制宜。