嚴(yán)寒荒漠地帶大口徑RPM管道的應(yīng)用

木拉提·斯依提汗

（新疆額河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊 830000）

1 概況

RPM管道也稱玻璃鋼夾砂管道,是采用高模量增強(qiáng)纖維和合成樹(shù)脂及高質(zhì)量的石英砂組合的一種復(fù)合材料管。它以壽命長(zhǎng)、抗侵蝕性能高、適應(yīng)地基變形能力好、便于運(yùn)輸和安裝等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)的工農(nóng)業(yè)用水及城市用水工程中越來(lái)越廣泛使用。北疆供水工程倒虹吸采用RPM管道,其管線部分總長(zhǎng)度達(dá)5.32 km,管道直徑為3.1 m,壓力等級(jí)0.46 MPa,屬于長(zhǎng)距離大型倒虹吸。工程位于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、人煙稀少的荒漠腹地，管線采用雙溝雙線地埋式布置。雙管設(shè)計(jì)流量30.5 m3/s,加大流量35 m3/s。最大工作靜水壓力水頭為46 m，最大水頭損失為4.328 m。該工程于2006年正式投入運(yùn)行,5年來(lái)工程運(yùn)行狀況良好。在嚴(yán)寒地區(qū)，地層為中強(qiáng)膨脹巖中，沿線RPM管道的徑向和軸向變形及承插接頭變形均在允許范圍之內(nèi)。

2 管材選用

2.1 工程特點(diǎn)

1）單管過(guò)水流量大（17.5 m3/s），工作壓力相對(duì)較低（最大為0.46 MPa），相應(yīng)管徑較大；

2）管線通過(guò)的地層大量分部為中強(qiáng)膨脹泥巖，有引起管基變形的特點(diǎn)；

3）在管線局部地段存在具有一定的腐蝕性的地下水并分布；

4）所在地屬于嚴(yán)寒地區(qū),晝夜、年度溫差大。

2.2 管材比選

倒虹吸工程在管道的選材方面應(yīng)遵循總造價(jià)最低、維護(hù)修理簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì)、對(duì)地質(zhì)和地基的適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)、能滿足抗土壤腐蝕性、適應(yīng)溫差變幅等原則。

由此，該工程在管材比選中，根據(jù)工程特點(diǎn)、倒虹吸水利計(jì)算結(jié)果和選材所遵循的原則，首先對(duì)目前多用的鋼管、PCCP管及RPM管中進(jìn)行了對(duì)比，并主要考慮該倒虹吸低水頭的特點(diǎn),排除了造價(jià)相對(duì)較高的鋼管,然后在PCCP管及RPM管中進(jìn)行了技術(shù)性對(duì)比，對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 倒虹吸管材比較表

對(duì)比結(jié)果表明，RPM管具有糙率低的良好水力特性，單管長(zhǎng)，重量輕（重量約為PCCP的1/7），長(zhǎng)距離搬運(yùn)或現(xiàn)場(chǎng)施工方便,抗腐蝕能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)該工程砂質(zhì)泥巖地層段具有膨脹變形特點(diǎn)，相對(duì)而言RPM適應(yīng)地基的變形能力較預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管強(qiáng),軸曲變形在1°～3°之間。并且RPM管材具有耐酸、耐堿、無(wú)電腐蝕，能夠在一定溫度下輸送有侵蝕性的介質(zhì)，可直接埋置于高酸性土壤、高鹽性土壤及低比電阻土壤中，無(wú)需保護(hù)。相比更適合在該倒虹吸管線局部地段存在有一定的腐蝕性地下水情況。倒虹吸管材最終推薦采用RPM管材，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

3 管道運(yùn)輸及進(jìn)場(chǎng)材料檢驗(yàn)

3.1 管道裝卸與運(yùn)輸

工程管道生產(chǎn)廠家至安裝現(xiàn)場(chǎng)近400 km。管道裝卸、長(zhǎng)距離運(yùn)輸問(wèn)題為確保工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，因此采取了以下工程措施：

1）管道裝車前將兩端用纖維布封口，以免在運(yùn)輸過(guò)程中灰塵或異物進(jìn)入管內(nèi)，擦傷內(nèi)襯結(jié)構(gòu)。

2）管道內(nèi)安設(shè)4道特制“十”字形鋼支撐，支撐之間用細(xì)鋼管連接起來(lái)，避免因車輛顛簸支撐傾倒。

3）選擇專用運(yùn)輸車輛，車上安裝3道與管道同心的弧形鞍座，在弧形鞍座上加裝厚度為5 mm的橡膠板。

4）用3道外套橡膠軟管的鋼索將管道牢固地捆扎到車輛上，確保在運(yùn)輸過(guò)程中不松、不脫。

5）管材裝卸機(jī)具的起吊能力必須穩(wěn)定、安全可靠。起吊設(shè)兩個(gè)起吊點(diǎn)，嚴(yán)禁用繩索貫穿兩端裝卸管材。裝卸吊索應(yīng)采用柔軟、較寬的繩索,不得用鋼絲繩或鐵鏈直接接觸吊裝管材。裝卸過(guò)程中應(yīng)輕裝輕放，嚴(yán)禁摔跌或碰撞。

表2 本工程應(yīng)用的RPM夾砂管物理力學(xué)性能

3.2 進(jìn)場(chǎng)管材、橡膠圈質(zhì)量檢測(cè)

3.2.1 管材

1）資料驗(yàn)收項(xiàng)目：每一合格產(chǎn)品的檢驗(yàn)報(bào)告和質(zhì)量合格證，要求提供產(chǎn)品的其它有關(guān)技術(shù)文件等。

2）現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收項(xiàng)目：查驗(yàn)每根管材的產(chǎn)品編號(hào)、產(chǎn)品合格標(biāo)志；查驗(yàn)每根管材的質(zhì)量跟蹤卡和根交工文件。根據(jù)表3的要求，對(duì)每根管材進(jìn)行進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收檢查。

3.2.2 橡膠圈

1）資料驗(yàn)收項(xiàng)目：每一批合格產(chǎn)品的檢驗(yàn)報(bào)告和每一單件的質(zhì)量合格證，供貨商提供產(chǎn)品的其它有關(guān)技術(shù)文件，包括材質(zhì)的理化檢驗(yàn)報(bào)告。

2）現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收項(xiàng)目:根據(jù)表4的要求，對(duì)每根橡膠圈進(jìn)行驗(yàn)收檢查。

4 管溝土方開(kāi)挖及墊層回填

工程區(qū)出露地層地表為厚約0.6 m的第三系腐質(zhì)土,較松散。自下為第三系砂巖和泥巖,屬軟巖。設(shè)計(jì)管溝底寬5.2 m，邊坡系數(shù)m=0.5，一般挖深5.3 m。施工開(kāi)挖工藝流程為反鏟挖掘機(jī)挖裝，自卸汽車運(yùn)至指定集料區(qū)，人工修整邊坡。

管基墊層料為經(jīng)人工篩分的天然砂礫料，設(shè)計(jì)厚度0.3 m，回填工藝流程為：裝載機(jī)篩分料場(chǎng)挖裝、自卸車運(yùn)至管溝兩側(cè)、人工溜槽下溝、人工攤鋪、灑水（使回填料含水率接近最優(yōu)含水率7.5%）、14 t振動(dòng)碾碾壓。

表3 RPM管進(jìn)場(chǎng)檢查項(xiàng)目表

表4 進(jìn)場(chǎng)橡膠圈檢查項(xiàng)目表

5 管道鋪設(shè)

5.1 管道吊裝

5.1.1 管道吊裝前準(zhǔn)備工作

1）排出槽內(nèi)積水、復(fù)合墊層高程、確定管道中線位置;2）清理承口內(nèi)側(cè)和插口外部及放置橡膠圈凹槽內(nèi)的灰塵、砂子等異物；

3）在兩根管道連接處人工挖一個(gè)工作坑,坑的幾何尺寸為長(zhǎng)1.6 m、寬1.6 m、深0.2 m；

4）在插口端沿圓周劃3處(管腰2處、管頂1處)導(dǎo)入截止線,以便在安裝過(guò)程中檢查連接是否到位。

5.1.2 管道吊裝連接

1）用2臺(tái)25 t的汽車吊起吊、人工輔助下溝。兩吊車工作位置為尾部相對(duì),相隔間距7 m，兩吊車中心線應(yīng)保持與擬安裝管道中心線基本平行，吊車支腿距管溝邊緣不小于1 m，吊裝管道從兩吊車之間縱向穿過(guò)，吊車的最大工作幅度控制在9 m以內(nèi)，操作中臂長(zhǎng)17.6～18.0 m，操作過(guò)程中不得違反汽車起重機(jī)的操作規(guī)程。

2）用柔軟的布將管材連接部位擦凈，用中性潤(rùn)滑劑如硅油、液體凡士林、或花生油涂搽連接部位。

3）將密封橡膠圈涂潤(rùn)滑劑，并在兩手之間搓動(dòng),保證潤(rùn)滑劑涂覆均勻。

4）把橡膠圈套入插口上凹槽內(nèi)，沿膠圈四周依次向外拉離凹槽并緩慢放回凹槽，以保證膠圈在凹槽內(nèi)受力均勻、沒(méi)有扭曲。

5）用3根外套橡膠軟管的鋼絲繩捆綁在欲連接的管上，用吊車調(diào)整管口高度及擺動(dòng)管尾，并用3臺(tái)6 t的手板葫蘆連接管道，手板葫蘆、鋼絲繩與管身接觸出墊橡膠板以防檫傷管道。

6）管節(jié)承插就位后,放松吊索和手板葫蘆，就位的管道經(jīng)檢查滿足表5的規(guī)定后，人工進(jìn)行穩(wěn)管。

表5 管道鋪設(shè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)表

5.2 接口打壓試驗(yàn)

接口打壓是檢驗(yàn)橡膠圈在管道安裝過(guò)程中是否脫槽、擠裂的有效方法，因此管節(jié)承插就位后必須進(jìn)行接口打壓試驗(yàn)，接口打壓按下述要求進(jìn)行：采用壓力計(jì)的精度不低于1.5級(jí)，最大量程為試驗(yàn)壓力的1.3～1.5倍，使用前經(jīng)過(guò)計(jì)量濾定；試驗(yàn)用水為可食用的潔凈水；每個(gè)接口均進(jìn)行接口水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為0.72 MPa；保壓3 min，無(wú)明顯壓降，無(wú)滲漏視為合格。

6 管道回填及豎向撓曲變形監(jiān)測(cè)

管道回填土料有3種，管頂0.3 m以下部分回填經(jīng)人工篩分的天然砂礫料，管頂以上0.3～1.0 m范圍回填管溝開(kāi)挖出的白砂巖，管頂以上1.0～2.5 m范圍回填管溝開(kāi)挖出的除泥巖、腐質(zhì)土以外的土料；管道回填分為3個(gè)區(qū)域，管頂上0.3 m以下區(qū)域稱為管腔回填區(qū)，其中管底至2.25 m高度范圍稱為首次回填區(qū)、2.25 m至管頂上0.3 m范圍稱為二次回填區(qū)，管頂以上0.3 m至堤頂范圍稱為普通回填區(qū)，因各回填區(qū)所用材料及施工工藝有所不同，以下分別敘述。

6.1 管腔回填

RPM管道的突出優(yōu)點(diǎn)是抗腐蝕性能較強(qiáng)，但其抵抗外壓的能力不僅要依靠管道本身的剛度、同時(shí)要依靠管腔回填土的側(cè)向約束來(lái)抵抗外壓力，因此，管腔回填材料、回填質(zhì)量顯得尤為重要。

6.1.1 回填材料

規(guī)劃料場(chǎng)為C49和C51，兩料場(chǎng)土料均為天然砂礫料。其中C49料場(chǎng)位于小洼槽倒虹吸進(jìn)口建筑物附近，平均運(yùn)距3.7 km，C51料場(chǎng)位于倒虹吸管線中部附近，平均運(yùn)距2 km。經(jīng)料場(chǎng)復(fù)查及顆分和擊實(shí)試驗(yàn),C49料場(chǎng)平均最大干密度2.12 g/cm3、最優(yōu)含水率8.18%、礫石含量（P5含量，下同）46.95%、儲(chǔ)量不足1萬(wàn)m3；C51料場(chǎng)平均最大干密度2.14 g/cm3、最優(yōu)含水率7.77%、礫石含量48.19%、儲(chǔ)量大于30萬(wàn)m3。兩個(gè)料場(chǎng)砂礫料物理力學(xué)指標(biāo)基本相同，儲(chǔ)量能滿足施工需要,施工取料以C51料場(chǎng)為主。

試驗(yàn)中按設(shè)計(jì)要求對(duì)C51料場(chǎng)分別進(jìn)行了過(guò)10 mm篩和過(guò)20 mm篩回填對(duì)比試驗(yàn),其中過(guò)10 mm和20 mm的篩料回填段長(zhǎng)都為60 m（5根標(biāo)準(zhǔn)管的長(zhǎng)度）。質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為：最大粒徑不大于10 mm或不大于20 mm、干密度不小于1.9 g/cm3、相對(duì)密度不小于0.7。

6.1.2 施工工藝

料場(chǎng)機(jī)械篩分、裝載機(jī)挖裝、自卸汽車運(yùn)至管溝兩側(cè)、人工溜槽運(yùn)入溝槽、人工攤鋪（每層虛鋪厚度18 cm）、灑水（含水量控制在最優(yōu)含水率7.77%附近）、HZD160電動(dòng)夯板夯6～8遍，圖1所示的腋下三角區(qū)，人工用木棒搗實(shí)。

圖1 三角區(qū)回填方案

6.1.3 注意事項(xiàng)

1）回填前撿除管溝內(nèi)的磚石、木塊等雜物；

2）回填料應(yīng)由溝槽兩側(cè)對(duì)稱運(yùn)入槽內(nèi)，不得直接扔在管道上，回填料的含水率應(yīng)控制在最含水率左右；

3）嚴(yán)格控制每層的虛鋪厚度、壓實(shí)遍數(shù)；

4）管道兩側(cè)壓實(shí)面的高差不得超過(guò)0.3 m，分段回填時(shí)，相鄰段的接茬應(yīng)呈階梯狀，不得漏夯；

5）在回填壓實(shí)過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)管道的豎向變形，在首次回填區(qū)回填高度達(dá)到0.7D（D為管道直徑）時(shí)，管道的豎向變形率應(yīng)小于（即豎向直徑增大）或等于零。

6.2 管頂以上0.3～1.0 m區(qū)域回填

1）回填材料。為管溝開(kāi)挖出的白砂巖。經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)，平均最大干密度1.925 g/cm3、最優(yōu)含水率10.2%。

2）施工工藝。集料場(chǎng)裝載機(jī)挖裝、自卸車運(yùn)至管溝側(cè)、手推車入倉(cāng)、人工攤鋪（虛鋪厚度18 cm）、灑水（含水量控制在最優(yōu)含水率10.2%附近）、HZD160電動(dòng)夯板夯6～8遍。

6.3 管頂1.0 m以上區(qū)域回填

1）回填材料。為管溝開(kāi)挖出的除泥巖、腐殖土外的土料。經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn),平均最大干密度1.82 g/cm3、最優(yōu)含水率13.46%。

2）施工工藝。用反鏟挖掘機(jī)將堆積在管溝兩側(cè)料摔至回填區(qū)、山推220型推土機(jī)按進(jìn)占法攤鋪 (每層虛鋪厚度35 cm)、灑水、14 t振動(dòng)碾靜碾 4～6 遍。

6.4 管道豎向撓曲變形監(jiān)測(cè)

1）管道回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高后,應(yīng)在24 h之內(nèi)測(cè)量管道的初始豎向變形值。

2）選安裝后每節(jié)管道的2，6，10 m處作為測(cè)量斷面監(jiān)測(cè)初始變形。若管道的有效長(zhǎng)度在6 m到10 m，取兩個(gè)測(cè)量斷面，管道有效長(zhǎng)度小于6 m的，取1個(gè)測(cè)量斷面，管道有效長(zhǎng)度大于10 m的，取3個(gè)測(cè)量斷面。

3）管道豎向允許變形值按下式計(jì)算：

式中：Dn——管道內(nèi)直徑，mm；Dn1——管道變形后的豎向內(nèi)徑，mm；t——管壁厚度，mm。

4）管道初始豎向變形不得大于2%。該工程實(shí)測(cè)初始豎向變形值在0.34%～0.79%之間，變形滿足要求。

7 系統(tǒng)水壓試驗(yàn)

按GB50268－97《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定,管道安裝過(guò)程中必須進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。該工程依照規(guī)范要求,試驗(yàn)介質(zhì)采用淡水，試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)工作壓力的1.5倍、即0.69 MPa。試壓段長(zhǎng)度分為10段進(jìn)行。其中，左管5段,右管5段，段長(zhǎng)在1 km左右。右管線典型段位于 4～9 號(hào)鎮(zhèn)墩、9～13 號(hào)鎮(zhèn)墩、13～15 號(hào)鎮(zhèn)墩、15～18號(hào)鎮(zhèn)墩之間,段長(zhǎng)分別為 1 222，1 289，866，845 m。左管線典型段位于4～9號(hào)a鎮(zhèn)墩、9a～15號(hào)鎮(zhèn)墩之間，段長(zhǎng)分別為1 272 m和2 105 m。系統(tǒng)水壓試驗(yàn)結(jié)果表明，RPM管道安裝后其強(qiáng)度和嚴(yán)密性滿足工程要求。

8 結(jié)語(yǔ)

1）遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、人煙稀少的嚴(yán)寒荒漠腹地帶，長(zhǎng)距離大型倒虹吸對(duì)大口徑RPM管的合理選用，并采取的整套獨(dú)特的施工工藝、質(zhì)量控制、質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法,使得此倒虹吸工程更為適應(yīng)所處特殊環(huán)境,帶來(lái)施工便利,并確保了工程質(zhì)量。

2）該工程是目前國(guó)內(nèi)口徑最大的RPM倒虹吸管道,工程施工及應(yīng)用實(shí)踐表明,只要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量控制措施到位,在特殊環(huán)境的大型工程選用RPM管具有一定的其它管道無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

［1］魏鵬.長(zhǎng)距離玻璃鋼加砂管安裝技術(shù)與應(yīng)用［J］.山西建筑，2008，34（23）.

［2］鄭升峰.簡(jiǎn)談玻璃鋼加砂管在供水工程中的應(yīng)用.甘肅科技縱橫［J］.2005，34（23）.