山西潞安集團(tuán)樹(shù)脂有限公司輸水管道方案選擇

郭紅爭(zhēng)

（運(yùn)城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西運(yùn)城 044000）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)樹(shù)脂有限公司年生產(chǎn)用水880萬(wàn)m3，年供水時(shí)間按8 000 h計(jì)算，供水流量為0.305 m3/s。供水工程水源地位于漳澤水庫(kù)，輸水線路全長(zhǎng)8.74 km，其中5 km管線穿越煤礦采空區(qū)，輸水管道的布置方案、管徑及管材的選用將直接影響到供水工程管道的安全運(yùn)行及管理維護(hù)。

2 煤礦采空區(qū)的破壞機(jī)理及對(duì)線路的影響

煤層大面積開(kāi)采后，采空區(qū)上方土層原有的平衡狀態(tài)被打破，產(chǎn)生冒落、斷裂和彎曲變形等破壞，形成地表移動(dòng)盆地，伴隨移動(dòng)盆地形成的同時(shí)，地表產(chǎn)生下沉裂縫、傾斜、水平位移等一系列變形現(xiàn)象。由于地形條件限制，該輸水管線穿越采空區(qū)長(zhǎng)達(dá)5 km，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，有部分地段沉陷變形已達(dá)20 cm深，水平開(kāi)裂寬達(dá)15 cm左右。采空區(qū)引起的地表移動(dòng)和變形，對(duì)輸水管線的影響主要是地表塌陷和不均勻沉陷引起的垂直變形和水平拉伸，會(huì)導(dǎo)致管道接口漏水甚至斷裂，致使整個(gè)工程將無(wú)法正常運(yùn)行。

3 單、雙管線方案比較及流量確定

依據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50013—2006）第7.1.3條規(guī)定，輸水干管不宜少于兩條，當(dāng)有安全貯水池或其他安全供水措施時(shí)，也可修一條。輸水干管管徑應(yīng)按輸水干管任何一段發(fā)生事故時(shí)仍能通過(guò)事故水量計(jì)算確定，事故水量為設(shè)計(jì)水量的70%。由于本工程的水源是用水戶的唯一水源，廠內(nèi)無(wú)安全貯水池，且生產(chǎn)用水要求保證率高，因此設(shè)計(jì)采用雙管線，另外，管線穿越采空區(qū)時(shí)，采用雙管線可為故障檢修提供時(shí)間。即：正常供水時(shí)，每條管線設(shè)計(jì)流量Q=0.153 m3/s。若其中一條發(fā)生故障時(shí)，另一條應(yīng)滿足設(shè)計(jì)水量的70%，即每條管線設(shè)計(jì)流量為0.213 m3/s。

4 管徑及管材確定

4.1 管徑確定

輸水管道的管徑不僅與通過(guò)流量有關(guān)，而且還與所選取的流速有關(guān)，在流量不變的前提下，流速選擇愈小，管徑愈大，工程造價(jià)就愈高，但運(yùn)行費(fèi)用卻低；反之，流速愈大，管徑可以減小，造價(jià)也可降低，但水頭損失大，運(yùn)行費(fèi)用也隨之增加，所以輸水管徑的選擇就要綜合考慮管道的建造費(fèi)用與年運(yùn)行費(fèi)用這兩個(gè)主要經(jīng)濟(jì)因素。根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》CECS193:2005的第3.1.5條規(guī)定，壓力輸水管道的設(shè)計(jì)流速不宜大于3.0 m/s，且不宜小于0.6 m/s。

設(shè)計(jì)流量為0.213 m3/s時(shí)，不同管材、管徑的水力計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 輸水管路水力計(jì)算成果表

由表1知：Q=0.213 m3/s時(shí)，不同管材φ600 mm管道千米管損較φ500 mm管道小0.83～2.13 m，運(yùn)行費(fèi)用省，但管道、管件及閥門(mén)建造費(fèi)用均較高，管道安裝及管溝開(kāi)挖等施工費(fèi)用也高，綜合考慮推薦采用φ500 mm的管徑。

4.2 管材確定

輸水管道管材的選擇直接影響工程的投資和使用壽命，本次管材考慮了鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、預(yù)應(yīng)力砼管（PCP）、給水用聚乙烯管（PE）、玻璃鋼夾砂管（FRPM）等。

在滿足設(shè)計(jì)流量條件下，六種管材性能比較見(jiàn)表2，六種管材投資比較見(jiàn)表3。

表2 六種管材性能比較表

表3 六種管材投資比較表

由比較知，鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管和球墨鑄鐵管三種管材性能較優(yōu)，均能滿足供水要求；預(yù)應(yīng)力砼管雖投資較小，但從接頭密封防滲及使用年限方面都不及其他管材，且根據(jù)多項(xiàng)供水工程使用情況調(diào)查，該管材在使用10年以后，由于鋼筋保護(hù)層潮濕脫落，鋼筋銹蝕造成頻繁爆管事故，不推薦使用；聚乙烯管和玻璃鋼夾砂管，這兩種管材糙率小，在同樣過(guò)流量的情況下，千米損失比其他管材小，年運(yùn)行費(fèi)比其他管道少，但該種管道抗外壓、抗水錘性能均一般，不推薦使用。在鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管和球墨鑄鐵管三種管材中，各項(xiàng)技術(shù)性能差距不大，但鋼管在抗外壓、抗水錘等方面有較明顯的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于鋼管接頭采用焊接，其抗?jié)B能力以及抵抗地基不均勻變形能力均優(yōu)于其他兩種管材，但造價(jià)高于預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管和球墨鑄鐵管，考慮到輸水管線穿越采空區(qū)，因此選用性能較好的鋼管。

5 管道焊接及防腐

鋼管采用螺旋焊鋼管，鋼材為Q235A，焊接采用埋弧焊接。管道正式焊接前，必須進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，焊縫表面不能有氣孔、夾渣、咬邊及凹凸不平等缺陷，管體橢圓度在管端100 mm范圍內(nèi)控制在±1%，焊縫余高小于3.2 mm。鋼板加工前應(yīng)除銹，加工后管外壁防腐采用環(huán)氧煤瀝青涂料（三油一布），厚度不小于0.4 mm；內(nèi)壁防腐采用IPN8710涂料，底漆2道，面漆3道，厚度不小于0.2 mm。

6 結(jié)論

該工程輸水管線有5 km穿越采空區(qū)，但該采空區(qū)位于已充分采動(dòng)、無(wú)重復(fù)開(kāi)采的老采空區(qū)上，地表沉陷趨于穩(wěn)定，為了確保工程安全，施工前應(yīng)充分掌握采空區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、采空現(xiàn)狀、塌陷情況，施工過(guò)程及施工結(jié)束后需要長(zhǎng)期的觀測(cè)，以保證輸水管道的正常使用。管溝開(kāi)挖、回填及管道安裝均按照《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行施工。

長(zhǎng)距離輸水管道設(shè)計(jì)中，管道投資占輸水工程的絕大比重，管材及管徑的選擇必須根據(jù)工程規(guī)模、重要性、地形地質(zhì)條件等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較綜合分析確定。該工程設(shè)計(jì)管材選取可對(duì)類似工程提供借鑒。