白石水庫(kù)取水口擴(kuò)建的管材優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉福玉，郭海軍

(1.遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧朝陽(yáng)122000;2.遼寧省柴河水庫(kù)管理局，遼寧鐵嶺112000)

白石水庫(kù)位于遼寧省北票市境內(nèi)的大凌河干流上，總庫(kù)容16.45億m3，年調(diào)節(jié)水量5.28億m3，水庫(kù)初設(shè)時(shí)只為下游阜新市提供管道供水，水量28.5萬(wàn)m3/d;一期工程引水量16.5萬(wàn)m3/d，已于2009年11月通水。水庫(kù)下游其他城市2008年提出要從白石水庫(kù)引水11萬(wàn)m3/d的要求，為解決這一問(wèn)題，確定白石水庫(kù)取水口擴(kuò)建方案，滿足水庫(kù)向下游管道供水39.5萬(wàn)m3/d的要求。本文主要研究白石水庫(kù)取水口擴(kuò)建的管材優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1 白石水庫(kù)取水口擴(kuò)建設(shè)計(jì)方案

白石水庫(kù)現(xiàn)有取水口在大壩右岸24#引水壩段，分兩層取水，壩體內(nèi)引水管道由2.6 m×2.6 m鋼筋混凝土洞漸變后與Φ1.6 m的鋼管相接，在中心高程105.8 m兩根鋼管匯合，在27#壩段下游引入壩后閥室，管末端接一Φ1.6 m的蝴蝶閥。水庫(kù)取水口擴(kuò)建方案是在水庫(kù)下游樁號(hào)1+226 m處建一壓力箱，從壩后閥室至壓力箱間用一根長(zhǎng)1 220 m的Φ2.5 m的管道送水，壓力箱的壓力能保證在水庫(kù)死水位時(shí)阜新引水的壓力要求。

2 Φ2.5 m輸水管材的優(yōu)化選擇

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)大型供水工程實(shí)例及管材制造技術(shù)，在此規(guī)模供水工程中，本工程所用1 220 m長(zhǎng)、直徑Φ2.5 m的管道，有如下4種管材可供選擇。

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管在我國(guó)應(yīng)用較早，生產(chǎn)廠家也較多，各種規(guī)格品種齊全，價(jià)格也適中。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管對(duì)各種地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng)，施工安裝方便，無(wú)需防腐處理。缺點(diǎn)是重量大，運(yùn)輸費(fèi)用大，最致命的缺點(diǎn)是安全性差，適用壓力低。從幾個(gè)已建工程的運(yùn)行情況看，都存在或爆管或接口密封不嚴(yán)而造成嚴(yán)重漏水等事故發(fā)生，使檢修工作量加大。

2.2 玻璃鋼夾砂管

玻璃鋼夾砂管的全稱是“玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂夾砂管”，其特點(diǎn)是重量輕、強(qiáng)度大，防腐性好、無(wú)毒，特別是玻璃鋼夾砂管的水力特性比其它種類的管材都好。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管阻力系數(shù)n=0.013，而玻璃鋼夾砂管的阻力系數(shù)只有0.009。但是該種管材性能不穩(wěn)定，抗外壓能力差，在管道埋設(shè)時(shí)對(duì)回填土及回填工藝要求較高，如將石塊填入而與管壁擠壓將造成管壁應(yīng)力集中而發(fā)生爆管事故。在我國(guó)已建采用該種管材的工程中，類似事故亦有發(fā)生。

2.3 預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管(PCCP)

預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管由鋼筒、鋼絲和混凝土構(gòu)成，此種管材充分而又綜合地發(fā)揮了鋼材的抗拉、易密封性及混凝土的抗壓和耐腐蝕性。目前我國(guó)已引進(jìn)國(guó)外技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行批量生產(chǎn)，在國(guó)內(nèi)外都有大量應(yīng)用，效果很好。此種管材的特點(diǎn)是密封性好，不滲水;工作壓力高，最高可達(dá)3.0 MPa以上;能承受較高的外荷載;管壁阻力系數(shù)較預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管低，在0.0107～0.012范圍;壽命長(zhǎng)，對(duì)各種地質(zhì)條件適應(yīng)能力強(qiáng)。但其重量大、安裝較麻煩，需砂漿封口。

2.4 鋼管

鋼管是由鋼板卷制而成，可按需要制成不同直徑和不同壁厚的管道，并能按需制成各種彎管、岔管、變徑管等，容易與閥門等管道設(shè)備、附件連接。在我國(guó)各類工程中有較多應(yīng)用。但是其缺點(diǎn)也是明顯的。其最大缺點(diǎn)是耐腐蝕性差，需采取可靠的防腐措施，如發(fā)生腐蝕將影響管道的壽命。另外，鋼管的施工工藝復(fù)雜、技術(shù)要求高、施工進(jìn)度慢，需現(xiàn)場(chǎng)焊接并做探傷。

表1 4種供水管材性能比較表

上述4種管材的10項(xiàng)性能比較表中，只能對(duì)4種管材進(jìn)行單個(gè)性能的定性比較，不能進(jìn)行綜合定量比較，為有利于綜合定量比較，參照陳守煜模糊優(yōu)化理論即“開放的復(fù)雜水資源巨系統(tǒng)分析技術(shù)”的模糊語(yǔ)氣算子與模糊標(biāo)度，對(duì)4種管材的10種性能指標(biāo)進(jìn)行綜合賦分，以安裝性能為例，安裝性能評(píng)價(jià)最易的，賦分最高，安裝性能最難的賦分最低;再以管材抗?jié)B性能為例，管材抗?jié)B性能最高的賦分最高，管材抗?jié)B性能最低的賦分最低，以此類推，形成表2管材性能賦分表，然后依照表2對(duì)表1中所列4種管材性能進(jìn)行綜合評(píng)分，并且按照本工程決策者對(duì)10項(xiàng)性能的主觀需要，制定10項(xiàng)性能的權(quán)重分配，用每種管材的單項(xiàng)性能評(píng)分乘以相應(yīng)單項(xiàng)權(quán)重，得到1個(gè)分值，再以每種管材的10項(xiàng)分值進(jìn)行累加，即得出每種管材性能的綜合評(píng)分。

表2 管材性能賦分表

表3 4種管材性能綜合評(píng)分表

從表3可知，玻璃鋼夾砂管綜合評(píng)分第一，鋼管第二，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管第三，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管第四。

從表3中可以看出，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管價(jià)格最便宜但綜合評(píng)分最低，不采用。玻璃鋼夾砂管綜合評(píng)分最高，由于剛性太差，抗外壓能力差，在以往工程中出現(xiàn)過(guò)爆管現(xiàn)象，不適宜作為水庫(kù)集中取水口頭部工程的引水管的主觀需要，不采用。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的各項(xiàng)指標(biāo)都較好，價(jià)格也適中，直徑2.5m管徑在遼寧有生產(chǎn)廠家，本工程中管道較短，而鋼管更適應(yīng)轉(zhuǎn)彎、管件連接、接口等，運(yùn)行維護(hù)也容易。由于管道沿線大部分為回填土地段，管基情況復(fù)雜且松散，鋼管是連續(xù)無(wú)縫連接，能適應(yīng)這種情況，不容易發(fā)生跑漏現(xiàn)象。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管為承插連接，接頭處理工藝比較麻煩，一旦發(fā)生此故障維護(hù)很難。

3 結(jié)論

在白石水庫(kù)取水口擴(kuò)建的管材選擇中，采用模糊優(yōu)化理論，對(duì)4種可供選擇的管材進(jìn)行模糊優(yōu)化綜合評(píng)分，本工程最終選擇管材性能綜合評(píng)分第二名的鋼管作為輸水管材。本管材優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其它類似工程有較強(qiáng)的借鑒意義。

［1］ 陳守煜.工程模糊集理論與應(yīng)用［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

［2］ 李福明.阜新市引白水源工程可行性研究的優(yōu)化分析［J］.東北水利水電，2004，6.

［3］ 劉彥.玻璃鋼夾砂管在坪上應(yīng)急引水工程的應(yīng)用［J］.水利工程建設(shè)與管理，2009，4.