南水北調(diào)配套工程輸水管道設(shè)計(jì)中問(wèn)題的探討

□馬俊青 □鞠厚磊（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

南水北調(diào)配套工程輸水管道設(shè)計(jì)中問(wèn)題的探討

□馬俊青 □鞠厚磊（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

隨著南水北調(diào)中線(xiàn)一期工程總干渠的建設(shè)高潮，輸水配套工程建設(shè)已提到議事日程，為確保配套工程與主體工程同步建設(shè)、同步通水、同步發(fā)揮效益。配套工程輸水管道的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文就管道設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討。

管材；管徑；壓力；防護(hù)

一、工程概況

河南省受水區(qū)供水配套工程是指中線(xiàn)總干渠沿線(xiàn)分水口門(mén)到各受水城市水廠(chǎng)之間的輸水工程。受水目標(biāo)分布在河南省沿線(xiàn)唐白河流域、淮河流域、黃河流域和海河流域，包括43座受水城市（11座省轄市為南陽(yáng)、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、濮陽(yáng)、安陽(yáng)市；7座縣級(jí)市、25座縣城），以及鄧州移民安置區(qū)、鄭州新鄭航空港、鄭州上街區(qū)用水、南陽(yáng)龍升工業(yè)園區(qū)、禹州神垕等五座城鎮(zhèn)，共48個(gè)供水目標(biāo)。配套工程共布置輸水線(xiàn)路總長(zhǎng)961.58 km，其中輸水管線(xiàn)長(zhǎng)942.74 km，輸水涵洞長(zhǎng)1.86 km，輸水明渠長(zhǎng)1.53 km，利用原河道輸水總長(zhǎng)15.45 km，另需修建14座提水泵站，構(gòu)成輸水骨干網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

二、輸水管道管材的選擇

河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程投資大、線(xiàn)路長(zhǎng)、涉及到地市較多，工程較分散、各分水口門(mén)線(xiàn)路長(zhǎng)短不一，管徑類(lèi)型多（600～3000 mm），工程對(duì)水質(zhì)的要求高。管線(xiàn)的造價(jià)在整個(gè)輸水工程中所占的投資比例較大，占整個(gè)工程造價(jià)的30%～40%，因此管材的選擇應(yīng)從工程的規(guī)模、重要性、管徑、工作壓力、地形地質(zhì)、工期、資金等方面綜合分析確定，以達(dá)到性?xún)r(jià)比最優(yōu)。輸水管材一般分為金屬管材、非金屬管材和復(fù)合管材3大類(lèi)，目前我國(guó)長(zhǎng)距離輸水工程常見(jiàn)的金屬管材有鋼管、球墨鑄鐵管等；非金屬管材有預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃鋼管、硬聚氯乙烯管（PVC-U）等；常用的復(fù)合管材有鋼塑復(fù)合壓力管和各種鋼骨架塑料復(fù)合管，就上述管材選擇比較如下。

（一）鋼管

鋼管應(yīng)用歷史較長(zhǎng)，范圍廣，是一種傳統(tǒng)的輸水管材。鋼管一般選用螺旋焊接與直縫焊接管（適用于大口徑管道）、無(wú)縫鋼管（適用于中小口徑管道）、不銹鋼管（適用于中小口徑管道），鋼管具有強(qiáng)度高、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在穿越河流、鐵路、山谷和障礙物時(shí)多采用鋼管，但其耐腐蝕性差，內(nèi)、外壁仍需做防腐處理，使用壽命一般不超過(guò)25年。鋼管外壁腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，目前鋼管外防腐主要采取涂層防護(hù)和電化學(xué)保護(hù)，涂層防護(hù)是用非金屬材料如涂纏石油瀝青玻璃布、環(huán)氧煤瀝青等防腐材料涂在鋼管外壁上，以防止金屬與水接觸；電化學(xué)保護(hù)有2種：一種是使用消耗性的陽(yáng)極材料鉛、鎂、鋅等，隔一定距離用導(dǎo)線(xiàn)連接到管線(xiàn)上，在土壤中形成電路得到保護(hù)；另一種是通入直電流的陰極保護(hù)法，把埋在管道附近的廢鐵和直流電的陽(yáng)極連接，電源的陰極連接到管線(xiàn)上，起到保護(hù)管線(xiàn)的作用，鋼管的內(nèi)防腐主要是用水泥砂漿涂襯，防止管內(nèi)的水直接和鋼管接觸，防腐效果較好。但在做防腐處理時(shí)應(yīng)盡量使水泥內(nèi)襯涂層密實(shí)均勻，并在施工過(guò)程中防止涂層剝落。與其他管材相比，鋼管現(xiàn)場(chǎng)的工作量較大，并且施工現(xiàn)場(chǎng)焊接需要有電源，并保證工作坑內(nèi)無(wú)積水，整個(gè)工程造價(jià)較高。

（二）球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管是20世紀(jì)90年代廣泛應(yīng)用的輸水管材，具有強(qiáng)度高、韌性好、延伸率大、耐腐蝕等特點(diǎn)，內(nèi)壁采用水泥砂漿襯里，改善了管道輸水環(huán)境，提高了供水能力，降低了能耗，運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，外壁采用噴鋅后涂瀝青防腐，采用柔性T型接口，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，止水效果好，是一種較理想的輸水管材。球墨鑄鐵管是以鎂或稀土鎂合金球化劑在澆注前加入鐵水中，使石墨球化，應(yīng)力集中降低，使管材具有較高的強(qiáng)度和延伸率，耐沖擊、耐震動(dòng)、耐腐蝕、管壁薄，同口徑時(shí)比鑄鐵管節(jié)省材料30%～40%，膠圈接口，施工方便，縮短工期。球墨鑄鐵管是當(dāng)今最為普及使用的管材。主要原因是多數(shù)施工單位積累了安裝此類(lèi)管材的豐富經(jīng)驗(yàn)，管材配件規(guī)格齊全；在維修過(guò)程中，能夠不停水作業(yè)，在價(jià)格方面，球墨鑄鐵管居中，有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)性。但由于輸水工程中管徑較大，與相同管徑的其他管材相比，大口徑球墨鑄鐵管的價(jià)格相對(duì)較高，施工場(chǎng)地大，球墨鑄鐵管的口徑多在DN 1600以下。

（三）預(yù)應(yīng)力混凝土管（PCP）

按其生產(chǎn)工藝分兩種：一種是一階段管即一次成型；另一種是三階段管。預(yù)應(yīng)力混凝土管因加工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)最低，但管材生產(chǎn)過(guò)程中存在弊病，如三階段噴漿質(zhì)量不穩(wěn)定，易脫落和起鼓；一階段管在施加予應(yīng)力時(shí)不易控制（特別在插口端部），造成質(zhì)量不穩(wěn)定、不均一，且因體積重量大造成運(yùn)輸安裝都不方便，使其應(yīng)用受到了限制。預(yù)應(yīng)力混凝土管口徑一般在2000 mm以下，工壓在0.4～0.8 MPa.，該管道為最經(jīng)濟(jì)的管材，口徑大、工作壓力高的工程應(yīng)用時(shí)要慎重。

（四）預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是一種鋼筒與混凝土制作的復(fù)合管。管芯為混凝土，在其外壁或中部埋入厚1.5 mm鋼筒，在管芯上纏繞預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，并在其外部噴水泥砂漿保護(hù)層，該管的特點(diǎn)是由于鋼套筒的作用，抗?jié)B能力非常好。管子的接口采用鋼制承插口，尺寸較準(zhǔn)確，并設(shè)橡膠止水圈（單膠圈或雙膠圈），因而止水效果好，安裝方便。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的管徑一般為DN 600～3600 mm，工作壓力為0.4～2.0 MPa，其中：DN 1200 mm以下一般為內(nèi)襯式，DN 1400 mm以上通常為埋置式，PCCP管的生產(chǎn)已有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可指導(dǎo)生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)號(hào)和名稱(chēng)為JC 625-1996《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PCCP管的分類(lèi)，規(guī)格尺寸、技術(shù)要求等都作了明確的規(guī)定，其應(yīng)用前景廣闊。

（五）玻璃鋼管（FRPM）

玻璃鋼管全稱(chēng)纏繞玻璃纖維增強(qiáng)熱固樹(shù)脂加砂管，玻璃鋼管是以樹(shù)脂為基本材料，玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，以石英砂為填充材料而制成的新型復(fù)合管材。玻璃鋼管采用承插式連接，橡膠圈止水，具有耐腐蝕、重量輕、強(qiáng)度高、不結(jié)垢，尤其內(nèi)壁光滑，水力學(xué)性能好，造率系數(shù)為0.008～0.009，管徑相同時(shí)玻璃鋼管可多輸送水，輸水量相同時(shí)，可降低能耗。FRPM通過(guò)這些年的發(fā)展，管材技術(shù)性能有了極大的改進(jìn)，出現(xiàn)了很多復(fù)合型管材，尤其是在耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、輸水水力條件好、重量輕、施工方便等方面優(yōu)點(diǎn)突出。其缺點(diǎn)是抗壓能力不強(qiáng)，與傳統(tǒng)的金屬管相比存在一定的差距。

（六）硬聚氯乙烯管（PVC-U）

硬聚氯乙烯管（PVC-U）是不加或僅加極少量增塑劑的聚氯乙烯脂在一定的溫度下擠壓成形的管材，其原材料來(lái)源廣泛，價(jià)格低。UPVC管道內(nèi)壁光滑，摩擦系數(shù)在0.008左右，長(zhǎng)期在含有消毒劑的水中使用不結(jié)垢、不結(jié)瘤。采用聚氯乙烯管不僅提高了通水能力，節(jié)約能耗或投資，而且改善了供水水質(zhì)。使用膠圈接口連接的UPVC管還具有良好的水密性，也使漏損率大為降低給水管內(nèi)壁對(duì)輸送自來(lái)水中少量溶解氧、微量強(qiáng)氧化劑（余氯）保持穩(wěn)定。但由于大口徑及高壓管的成本較高，常見(jiàn)的UPVC管管徑多在DN 600以下，故UPVC管較適合在城市管網(wǎng)配水工程中使用。在輸水工程中管徑普遍較大的情況下，UPCV管使用的空間不大。

（七）塑料合金玻璃鋼復(fù)合管

該管材由內(nèi)層高耐蝕層、中間層高強(qiáng)度的玻璃鋼層和外層耐蝕抗沖擊層復(fù)合而成，該管材縮合了熱塑性樹(shù)脂與增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂的優(yōu)良性能，具有高耐蝕性、高強(qiáng)度及高剛性，高抗沖壓性，長(zhǎng)壽命等優(yōu)良綜合性能，可代替鋼管而廣泛用于石化行業(yè)的輸送管道，壽命可比鋼管長(zhǎng)5倍以上。

（八）鋼骨架聚乙烯塑料復(fù)合管（SRPE）

此管材是以低碳鋼絲繞焊成型的網(wǎng)狀骨架（內(nèi)側(cè)為線(xiàn)形經(jīng)線(xiàn)、外側(cè)為環(huán)狀緯線(xiàn)）為增強(qiáng)相、以中密度或高密度聚乙烯熱塑料樹(shù)脂為基體,通過(guò)擠出成型方法復(fù)合而成,其力學(xué)、水力、衛(wèi)生、防腐、密封、安裝、抗震等性能優(yōu)越,最大缺點(diǎn)是耐溫性能較差。該管材一般采用熱熔連接,根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 123-2004,管徑≤600 mm、管長(zhǎng)≤12 m,公稱(chēng)壓力與管徑相關(guān)。在管材選取時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程的特點(diǎn)及對(duì)管道的要求，最大程度地突出選用管材的性?xún)r(jià)比，在滿(mǎn)足技術(shù)要求的條件下，發(fā)揮其最大的適應(yīng)優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又能保證管道的安全和使用壽命、相對(duì)節(jié)省工程投資是選材的標(biāo)準(zhǔn)。

上述主要管材價(jià)格見(jiàn)管材單價(jià)表：

表1 管材單價(jià)表

由于UPVC的管徑多在DN 600以下，故不予比較。

安全方面，鋼管、球墨鑄鐵管，PCCP管比較安全，特別在工壓高，管徑大，管線(xiàn)起伏較多的工程中。鋼管要特別注意防腐處理以延長(zhǎng)使用壽命；玻璃鋼管特別注意出廠(chǎng)管材的質(zhì)量檢查，選用合適的剛度（一般輸水工程埋地管道剛度不應(yīng)<5000 N/m2）。

經(jīng)濟(jì)方面，預(yù)應(yīng)力混凝土管最為經(jīng)濟(jì)；400 mm以下管徑優(yōu)先選用PVC-U，其次為玻璃鋼管；500～800 mm管徑優(yōu)先選用玻璃鋼管，其次為球墨鑄鐵管；1000 mm以上管徑優(yōu)先選用鋼筒管，球墨鑄鐵管價(jià)格較高。塑料合金玻璃鋼復(fù)合、鋼絲網(wǎng)骨架SRPE二類(lèi)管道通屬于PE系列管，滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最大內(nèi)承壓能力為1 MPa，高于1 MPa以上的為非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，且價(jià)格高昂。

考慮不同管材對(duì)本工程的適應(yīng)特性，能夠充分發(fā)揮管道的最大優(yōu)點(diǎn)，確保管道運(yùn)行的安全可靠，管理方便，運(yùn)行成本低，施工便捷，施工周期有保證，具備現(xiàn)場(chǎng)建廠(chǎng)的條件，供水量保證率高，工程總投資最省的原則，綜合比選后確定。

三、輸水管道管徑的選擇

河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程輸水管道投資占輸水工程的絕大比重，且大多數(shù)為有壓重力輸水，對(duì)靠重力輸水的同一種管材，管徑增大，水頭損失減小，對(duì)水廠(chǎng)可利用水頭高，管道投資增大；相反管徑減小，水頭損失增大，對(duì)水廠(chǎng)可利用水頭小，管道投資減小。對(duì)靠提水的同一種管材，管徑增大，管道一次性投資增大，管路阻力減小，可降低電耗量與年運(yùn)行費(fèi)用；相反管徑減小，可降低管道一次性投資，但管路阻力增大，年耗電量及年運(yùn)行費(fèi)增加。因此如何確定一個(gè)合理的管徑，是輸水管道設(shè)計(jì)中一項(xiàng)十分重要的工作。對(duì)靠重力輸水的管道，確定經(jīng)濟(jì)管徑的方法可采用管道設(shè)計(jì)流速來(lái)控制，壓力輸水管道的設(shè)計(jì)流速不宜>3 m/s,，不宜<0.6 m/s，在滿(mǎn)足流速和水廠(chǎng)水位要求下，應(yīng)盡量選擇小管徑。對(duì)靠提水的管道，確定經(jīng)濟(jì)管徑的方法可采用費(fèi)用現(xiàn)值最小法。假設(shè)不同的管徑，計(jì)算出管道的一次性投資，然后根據(jù)供水流量、管長(zhǎng)、管徑、管材計(jì)算凈揚(yáng)程，再由凈揚(yáng)程、流量等計(jì)算裝機(jī)容量，從而計(jì)算年運(yùn)行費(fèi)，按費(fèi)率和年限折現(xiàn)，求出費(fèi)用現(xiàn)值，其中最小費(fèi)用現(xiàn)值對(duì)應(yīng)的管徑即為經(jīng)濟(jì)管徑。

四、輸水管道工作壓力的選擇

配套工程輸水管道各個(gè)分水口門(mén)工作壓力不同，同一口門(mén)輸水管道各段工作壓力也不同，并受地形起伏的影響。設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)工程具體情況計(jì)算出管道沿線(xiàn)的工作壓力，包括水錘壓力和檢修情況，以便選擇管材壓力值。鋼管和球墨鑄鐵管強(qiáng)度高，管材工作壓力一般為1.6 MPa，對(duì)價(jià)格影響較小，其它材料管道工作壓力不同對(duì)價(jià)格影響較大。預(yù)應(yīng)力混凝土管工作壓力為0.2～1.2 MPa，分6級(jí)；預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管工作壓力為0.4～2.0 MPa，分9級(jí)；玻璃鋼管工作壓力為0.6～2.0 MPa；聚乙烯管為0.6～1.0 MPa；高級(jí)聚乙烯管為0.4～2.0 MPa。上述管材工作壓力每提高一級(jí)，增加管材投資20%左右。由于配套工程線(xiàn)路長(zhǎng)、涉及到地市較多，工程較分散等特點(diǎn)，管道設(shè)計(jì)壓力也不能分的過(guò)細(xì)，否則給管道的生產(chǎn)加工、工程施工，工程工期帶來(lái)較大的影響。因此管道設(shè)計(jì)中必須根據(jù)計(jì)算壓力值，結(jié)合工程實(shí)際情況分段選擇其工作壓力，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、適用的完美結(jié)合。

五、輸水管道防護(hù)技術(shù)與安全措施

（一）水錘的防護(hù)

由于管線(xiàn)設(shè)計(jì)縱剖面存在上下起伏，且在輸水過(guò)程中往往由于下游用戶(hù)用水量變化，管道流速變化是經(jīng)常出現(xiàn)的，管道中流速變化時(shí)，致使管道中水的壓力的升高或降低，當(dāng)壓力降低時(shí)，易形成氣（汽）泡，系統(tǒng)從單相流轉(zhuǎn)變?yōu)闅庖簝上嗔鳎瑲猓ㄆ┡菰谔囟ㄎ恢脜R集而產(chǎn)生液柱分離，水柱就被拉斷，出現(xiàn)斷流空腔；當(dāng)壓力升高時(shí)，分離的液柱再?gòu)浐?，在空腔處的水流彌合時(shí)將產(chǎn)生強(qiáng)烈的撞擊，形成水錘。水錘有啟動(dòng)水錘、關(guān)閉水錘、停泵水錘。一般啟動(dòng)水錘不大，只是真空情況下，管中空氣不能排出而被壓縮時(shí)才會(huì)加劇壓力變化；關(guān)閉水錘在正常操作時(shí)不會(huì)引起過(guò)大的水錘壓力；但由于突然停電或事故停泵所產(chǎn)生的水錘往往較大，水錘壓力值可達(dá)到工作壓力的1.5～3倍。一般應(yīng)根據(jù)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算來(lái)采取工程技術(shù)措施加以防護(hù)，通常在水泵出口處設(shè)置水錘消除器、多功能止回閥、安全閥、超壓泄壓閥，在管道沿線(xiàn)設(shè)置復(fù)合式進(jìn)排氣閥、超壓泄壓閥等形式以防止水錘危害。

（二）空氣閥的設(shè)置

空氣閥可分為低壓進(jìn)排氣閥、高壓微量排氣閥、組合式空氣閥3種，壓力管道充水時(shí)，積存在管道的空氣，管道運(yùn)行時(shí)，溶解在水中的空氣會(huì)隨著系統(tǒng)的壓力下降和溫度的升高而釋放出來(lái)，實(shí)際上是水汽兩相流。輸水管道必須有效的控制空氣，以防止系統(tǒng)產(chǎn)生真空而導(dǎo)致管道損壞，避免管道中空氣積聚導(dǎo)致管道系統(tǒng)輸水能力下降，增加泵站的電力消耗，在重力流管道中，極端情況下甚至可能導(dǎo)致輸水中斷。因此在輸水管道設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視空氣閥的設(shè)置，其類(lèi)型的選用應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠、維護(hù)運(yùn)行方便，能夠徹底排放系統(tǒng)中的空氣避免氣閉現(xiàn)象發(fā)生；其數(shù)量應(yīng)根據(jù)沿線(xiàn)地形、地質(zhì)情況，合理確定管道的縱向布置，一般應(yīng)設(shè)置在加壓泵站和上回閥前后，輸水管線(xiàn)的高點(diǎn)，輸水管線(xiàn)斜率改變處，至少每隔500～1000 m應(yīng)安裝一臺(tái)，減壓閥和調(diào)流閥后，可能發(fā)生水柱分離現(xiàn)象的危險(xiǎn)點(diǎn)，管道末端等處布設(shè)空氣閥，防止管道的氣蝕和振動(dòng)，以免影響管道輸水及安全。南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程管道線(xiàn)路長(zhǎng)，各條管線(xiàn)地形情況不一，共設(shè)置各類(lèi)進(jìn)排氣閥1470多臺(tái)，空氣閥設(shè)置的合適與否直接關(guān)系到工程能否安全、經(jīng)濟(jì)的發(fā)輝效益。

六、結(jié)論

在南水北調(diào)河南省受水區(qū)供水配套工程輸水管道設(shè)計(jì)中，管道投資占輸水工程總投資的絕大比重，管材、管徑及工作壓力的選擇必須根據(jù)工程規(guī)模、重要性、地形地質(zhì)等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較綜合分析確定，許多技術(shù)及安全措施還有待更深入的研究和提高。

馬俊青（1973-），男，河南省駐馬店人，高級(jí)工程師，現(xiàn)主要從事河南省南水北調(diào)供水配套工程輸水管道方面的研究。

2011-02-17