樊文林，黃再堅(jiān)

（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001）

1 工程概況

某水利工程位于中國(guó)貴州山區(qū)，水庫(kù)工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型，分為水源工程、輸水工程兩個(gè)部分，工程主要任務(wù)是給甲縣城供水，年總供水量為4.50×107m3，其中設(shè)計(jì)城市供水（P=95%）水量4.30×107m3，下游村鎮(zhèn)供水（P=95%）水量1.70×106m3，下放環(huán)境水量8.90×106m3，輸水設(shè)計(jì)流量1.80 m3/s，線(xiàn)路總長(zhǎng)約14 km，其中泵站提水管線(xiàn)長(zhǎng)度約6 km，重力流管線(xiàn)長(zhǎng)度約8 km。

2 管徑的比選分析

提水管道經(jīng)濟(jì)直徑按下式確定：

式中：Q-管道輸水流量（m3/s）；V-經(jīng)濟(jì)流速（m/s）。

根據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》，管道設(shè)計(jì)流速宜控制在經(jīng)濟(jì)流速0.90～1.50 m/s，所以自流管線(xiàn)管道選擇DN1400，對(duì)應(yīng)流速為1.17 m/s，滿(mǎn)足要求。

《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中供水系統(tǒng)供水管內(nèi)流速宜按2～3 m/s選取，供水泵進(jìn)水管流速宜按1.50～2 m/s 選取，《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》中水泵吸水管設(shè)計(jì)流速宜為0.70～1.50 m/s，出水管設(shè)計(jì)流速宜為0.80～2.50 m/s，鑒于規(guī)范規(guī)定的流速不同且為范圍值，需要對(duì)不同流速對(duì)應(yīng)的管徑進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

泵站提水總揚(yáng)程由凈揚(yáng)程加管道水頭損失組成，由于多數(shù)提水管道較長(zhǎng)，管徑的變化對(duì)水頭損失影響大，提水管道不同管徑水損見(jiàn)表1，從而可能導(dǎo)致提水費(fèi)用過(guò)高而不經(jīng)濟(jì)，所以提水管道管徑應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比選，投資比選見(jiàn)表2，其中提水費(fèi)根據(jù)年提水量結(jié)合提水揚(yáng)程計(jì)算泵站提水耗電量指標(biāo)，根據(jù)《省發(fā)展改革委關(guān)于貴州電網(wǎng)2020-2022年輸配電價(jià)和銷(xiāo)售電價(jià)有關(guān)事項(xiàng)的通知》，變壓器35 kV、工商業(yè)及其他用電、兩部制對(duì)應(yīng)的電價(jià)按照0.52元每度計(jì)算。一級(jí)泵站進(jìn)水管、上水管和二級(jí)泵站上水管共按6 km考慮，管材按鋼管（見(jiàn)下文管材比較分析）。提水費(fèi)按照建筑物使用年限50年進(jìn)行折現(xiàn)。經(jīng)計(jì)算并結(jié)合管壁厚度需大于D/130，得到不同管徑對(duì)應(yīng)的壁厚為10、11、12、13、13、14、15 mm，經(jīng)驗(yàn)算抗外壓，DN1300（t=12 mm）時(shí)，不滿(mǎn)足要求，需要增加加勁環(huán)。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研咨詢(xún)，鋼管管材費(fèi)用按9 266.46元/t，并考慮247.44元/m的敷設(shè)費(fèi)用。經(jīng)比較分析，一級(jí)、二級(jí)泵站提水管道的最經(jīng)濟(jì)管徑為一級(jí)泵站進(jìn)水管、出水管管道管徑為1 400 mm，二級(jí)泵站出水管道管徑為1 400 mm。

表1 提水管道不同管徑水損表（管材按鋼管）

表2 提水管道不同管徑投資對(duì)比表（管材按鋼管）

3 管材的比選分析

3.1 重力流管

根據(jù)工程的具體情況，水頭較高，管道壓力較大，進(jìn)行管材、設(shè)備的比選優(yōu)化，原則上應(yīng)選用造價(jià)經(jīng)濟(jì)、性能可靠、施工方便、運(yùn)行安全、耐腐蝕性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)、后期維護(hù)費(fèi)用低的管材。此工程輸水管道采用重力式和加壓式提水方式，其中，重力式輸水管道為一級(jí)泵站高位水池至二級(jí)泵站進(jìn)水池之間的管道。加壓式輸水管線(xiàn)有：一級(jí)泵站進(jìn)、出水管及二級(jí)泵站出水管。

一級(jí)泵站高位水池至二級(jí)泵站進(jìn)水池之間超過(guò)8 km的重力式輸水管道，沿線(xiàn)地形起伏較大，局部坡度較陡，最大工作水頭約200 m，對(duì)于混凝土管，由于管材易破碎、施工難度大，且承壓低，故不予以考慮。對(duì)于PE管，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的公稱(chēng)壓力1.25 MPa以上的PE管最大外徑僅為630 mm，且造價(jià)較高，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，故也不予以考慮。因此，輸水管道采取鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管及預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管材（PCCP）進(jìn)行比較。

鋼管的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，承受工作壓力較高，管材及管件易加工，管廠建設(shè)周期短；敷設(shè)方便，適應(yīng)性強(qiáng)，特別是地形復(fù)雜的地段，采用鋼管較方便。但鋼管的剛度小，易變形，襯里及外防腐要求嚴(yán)，必要時(shí)需作陰極保護(hù)，其接口形式比較靈活，可焊接、法蘭、絲扣以及特制承插口，一般為剛性連接。

球墨鑄鐵管的特點(diǎn)是球墨鑄鐵管承壓能力高，其延伸率、剛度、抗拉強(qiáng)度均較大，管件規(guī)格齊全，能適應(yīng)各種安裝需要；球墨鑄鐵管接口通常采用承插口，系柔性接口，拆裝方便，承受局部沉陷能力較強(qiáng)，可在管內(nèi)有少量余水的情況下維修；球墨鑄鐵管通常外表防腐首先噴涂鋅層，再?lài)姙r青保護(hù)，其管壁內(nèi)襯水泥砂漿，耐腐蝕能力強(qiáng)于鋼管，但弱于非金屬管道；一般有50年的使用壽命，但自重大，現(xiàn)場(chǎng)施工有一定難度。

玻璃鋼管的特點(diǎn)是管道糙率較小，輸送流體的壓力損失小，同等管徑情況下可提高輸送能力20%以上；玻璃鋼管重量輕，安裝容易；玻璃鋼管的連接可采用承插式或法蘭式，為柔性接口，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便；該管材抗腐蝕性、抗老化性能較差，局部抗沖擊能力較差，可根據(jù)埋設(shè)環(huán)境選用不同種類(lèi)的玻璃鋼管。但玻璃鋼管由于管壁較薄，對(duì)基礎(chǔ)與回填要求較高，對(duì)貴州山區(qū)地形適應(yīng)能力差。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管材的特點(diǎn)是這種類(lèi)型的鋼管首先剛度很高，不會(huì)輕易發(fā)生變形或者是折損的情況；密封性能很好，并且還具有很強(qiáng)的承載力；具有很強(qiáng)的抗?jié)B透性，使用時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)較長(zhǎng)，維護(hù)和運(yùn)行成本相對(duì)較低；這類(lèi)管材在安裝的時(shí)候需要配套的加工管的配件，使用靈活性不夠；管材自重很大，在運(yùn)輸或者安裝的時(shí)候都是需要大型的起重機(jī)和車(chē)輛配合。PCCP管材不管是吊裝費(fèi)用還是運(yùn)輸成本相對(duì)來(lái)講都比較高，對(duì)于貴州山區(qū)地形適應(yīng)性差，不建議使用該管材。

綜上考慮各種管材的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合本工程輸水管線(xiàn)路長(zhǎng)，管徑大小不一的特點(diǎn)、內(nèi)壓、外部荷載和管材的供應(yīng)等條件，從工程的運(yùn)行安全性、耐久性、施工和維護(hù)管理、經(jīng)濟(jì)合理性綜合管道敷設(shè)區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)情況，本階段經(jīng)過(guò)比較選擇不同部位不同的輸水管材料進(jìn)行比選。

根據(jù)輸水工程的區(qū)域特點(diǎn)，輸水管線(xiàn)起伏較大，各輸水管道內(nèi)水壓力大部分管線(xiàn)都超過(guò)100 m，最大水壓力高度超過(guò)了200 m，根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力根據(jù)不同管材進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 不同管材的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力表

根據(jù)表3 可知，不同管材的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力值計(jì)算，夾砂玻璃鋼管和PE 管的最大承壓僅為1.60 MPa，而大部分管線(xiàn)最大工作壓力超過(guò)1.00 MPa，這種管材不符合該工程輸水管線(xiàn)的要求，只有球墨鑄鐵管和焊接鋼管內(nèi)水壓力滿(mǎn)足要求，此階段采用球墨鑄鐵管和螺旋鋼管進(jìn)行材料比選。

管材選取應(yīng)考慮施工條件、使用年限、運(yùn)行維護(hù)、投資等因素綜合分析。焊接鋼管運(yùn)輸方便、快捷，特別適應(yīng)山區(qū)地形，而球墨鑄鐵管的標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)對(duì)進(jìn)場(chǎng)道路要求高。其次，焊接鋼管可以根據(jù)不同位置處的水頭對(duì)管道的管壁厚度采取優(yōu)化處理，可以進(jìn)一步節(jié)省投資，而球墨鑄鐵管常規(guī)壓力等級(jí)的主要有K8、K9、K10級(jí)，優(yōu)化空間不大。同時(shí)，焊接鋼管可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，采取任意轉(zhuǎn)彎角度，而球墨鑄鐵管的彎頭基本是標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)彎角度，施工中往往需要采取管節(jié)之間相互借轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生一定的管槽超挖。另外，焊接鋼管經(jīng)過(guò)內(nèi)外防腐處理后，可以滿(mǎn)足工程使用年限的要求。輸水管道各管材計(jì)算管徑價(jià)格比較見(jiàn)下表4，其中單價(jià)含稅、含運(yùn)費(fèi)，管材安裝單價(jià)球墨鑄鐵管按照225元/m，鋼管按照247元/m，鋼管防腐單價(jià)為100元/m2。根據(jù)計(jì)算得到鋼管的投資較球墨鑄鐵節(jié)省約1 000萬(wàn)元。

表4 輸水隧洞9種施工工況下每延米成本表

表4 重力流段不同管材投資對(duì)比分析表

綜上述分析，結(jié)合工程投資、施工條件、使用壽命及運(yùn)行管理維護(hù)等因素，同時(shí)方便后期管材招標(biāo)，輸水工程重力流段推薦采用鋼管，并根據(jù)分段的水壓力不同，優(yōu)化采用不同壁厚的鋼管。

3.2 泵站提水管線(xiàn)

單節(jié)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的球墨鑄鐵管對(duì)地形的適應(yīng)性較鋼管差，同時(shí)相同管節(jié)的重量球管偏重，對(duì)于陡峭的地形運(yùn)輸安裝均存在較大的施工難度。另外，對(duì)于泵站進(jìn)出水管道，提水揚(yáng)程高，一級(jí)泵站提水揚(yáng)程約274 m，二級(jí)泵站提水揚(yáng)程約244.50 m，其中一級(jí)泵站最大的水壓力高度超過(guò)了300 m。由于水泵開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間短，易產(chǎn)生較大水錘，總水頭接近1.50倍水壓力高度，最大達(dá)約450 m，同時(shí)水泵在開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)管道容易產(chǎn)生振動(dòng)，不利于提水管道安全運(yùn)行。另外，同類(lèi)工程，提水管多數(shù)采用鋼管，因此泵站進(jìn)出水管道采用鋼管，即一級(jí)泵站進(jìn)水管、提水管和二級(jí)泵站提水管均采用鋼管。

4 結(jié)論

對(duì)于輸水工程的管道直徑選取，規(guī)范推薦的是范圍值，需要在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)當(dāng)時(shí)的物價(jià)水平，對(duì)不同的管徑進(jìn)行比較分析，得出既滿(mǎn)足輸水要求，又經(jīng)濟(jì)的管道直徑。而輸水工程中，可供選擇的管材較多，各自的性能特點(diǎn)也不一樣，不同的管材因受其自身特點(diǎn)的限制，需要滿(mǎn)足工作壓力、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地形、施工條件、使用壽命、運(yùn)行管理，適合吊裝運(yùn)輸?shù)?，選擇可行適用的管材，再針對(duì)可用的管材進(jìn)行財(cái)務(wù)指標(biāo)分析，最終得到經(jīng)濟(jì)投入相對(duì)較少的管材。