王圪堵水庫輸水工程埋地鋼管設計

劉進步

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 設計概況

王圪堵水庫輸水工程位于榆林市榆陽區(qū)和橫山縣境內(nèi)，地處陜北黃土高原北部，毛烏素沙漠南緣。取水水源為王圪堵水庫電站尾水池，輸水終點為榆橫工業(yè)園區(qū)水廠。工程為Ⅱ等大（2）型，主要建筑物級別為2級，泵站裝機總功率18900kW，設計凈揚程 158.65m，總揚程 166.4m，流量4.9m3/s。輸水線路總長度28.64km，分為三段：第一段，進水閘至加壓泵站，為重力流低壓引水管線，長度5.62km，由2條間距4m的DN1600鋼筒混凝土管組成，公稱壓力0.4MPa；第二段，加壓泵站到高位水池段，為加壓輸水管線，管道直徑DN1600mm，間距15m，公稱壓力依次為2.5MPa、2.0MPa、1.6MPa，管材相應為鋼管、球磨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管；第三段，高位水池到水廠，為重力流輸水管線，線路長度14.09km，管材除沙界溝橋倒虹、沙河溝埋地倒虹以及穿越鐵路等鋼管外，其余均為預應力鋼筒混凝土管。

壓力鋼管設計包括：加壓輸水管線，主管DN1600，管線長約2.7km，設計內(nèi)壓2.5MPa，管頂覆土厚度2.5m，鋼管壁厚18mm；沙界溝雙管橋式倒虹，管線長約246.05m，管徑 DN1400，設計內(nèi)壓 1.6MPa，斜坡段管頂覆土厚度4m，鋼管壁厚16mm；沙河溝埋地式倒虹長275.2m，管徑DN1400，設計內(nèi)壓1.6MPa，管頂覆土5m，鋼管壁厚16mm。材質(zhì)均為Q345R，厚度偏差等級C類?，F(xiàn)場設加工基地進行管道加工和防腐。

2 管道覆土前后變形觀測

在分段安裝期間，鋼管外壁晝夜溫差較大，管道在長度方向伸縮量很大。選擇5#～6#鎮(zhèn)墩間安裝好的管段進行溫度變形觀測，兩鎮(zhèn)墩間距離約477m，中間預留約5m的閉合間隙。通過連續(xù)4天早7點、下午2點觀測：環(huán)境氣溫2℃～28℃，管內(nèi)氣溫11℃～39℃；4條管道日平均變形為41mm～98mm，單管日最大變形128mm。如果明管閉合管線，需要設置適應溫度變形的伸縮節(jié)，增加伸縮節(jié)采購成本約260萬元，直接影響工期2～3個月，造成整個管道在冬季到來以前無法完成閉合和覆土，冬季凍土期間也無法實施管道覆土回填、并進行水密實。先分段覆土再閉合管線無疑是最佳選擇。在對觀測段管頂覆土2m（管口處約10m未覆土）連續(xù)7天觀測，管線變形穩(wěn)定在0～1mm之間，覆土使管壁溫度處于和地溫相同的恒溫狀態(tài)（2.5m深處的管線年平均地溫10.5℃）。經(jīng)計算，覆土2.5m時，管壁和土壤之間單位長度摩擦力值44.45kN/m，100m長度管道摩擦約束力相當于DN1600，壁厚18mm管道兩端完全約束下20℃的溫差應力。通過以上驗證、分析，在管線覆土達到2m～2.5m厚度進行鎮(zhèn)墩間鋼管合攏，合攏時段管壁基準溫度為10℃，溫度偏差±10℃。

3 管道防腐

埋地鋼管內(nèi)壁防腐需按照輸送的介質(zhì)特性選擇，相對內(nèi)壁，外壁防腐對鋼管使用壽命影響更大，應引起高度重視，埋地鋼管外壁常采取的優(yōu)良防腐方案包括：

（1）環(huán)氧瀝青涂料，結合了環(huán)氧樹脂強度高與煤瀝青防腐性能好的優(yōu)點，防腐層性能穩(wěn)定，使用年限長，涂層強度高，施工方便，可半機械化或手工生產(chǎn)，造價低廉，主要用于水下和地下鋼結構和混凝土表面的重防腐。

（2）熔結環(huán)氧粉末是采用熱固性粉末涂料噴涂成膜，防腐性能優(yōu)越，耐化學腐蝕性好，表面光滑，耐磨、耐高溫。在成膜化學反應過程中，環(huán)氧粉末樹脂受熱固化交聯(lián)形成連續(xù)的熱固性聚合物，和鋼管形成某種程度的化學鍵，粘結強度高，緊密結合。其已在大型穿越工程中得到驗證，被廣泛應用于陸上，水下，海底等管線的涂裝防腐。在美國該防腐形式幾乎取代了傳統(tǒng)上的煤焦油瓷漆；杭州灣大橋DN1500（DN1600）鋼管樁就采用了三層熔結環(huán)氧粉末涂裝以抵抗海水的腐蝕，壽命可超過40年。

（3）聚乙烯三層結構防護層，又稱三層PE/PP：底層為熔結環(huán)氧，中間層為膠粘劑，面層為擠塑聚乙烯。三層PE防腐層，將環(huán)氧涂層的界面特性和耐化學特性，與擠壓聚乙烯防腐層的機械保護特性等優(yōu)點結合起來，顯著改善了各自的性能。三層PE可使埋地管道的壽命達到50年。該防腐涂層在長距離的輸油、氣管道中應用廣泛。

（4）聚脲涂層，是以聚氨酯樹脂為主要成膜物質(zhì)的涂料，漆膜具有良好的附著力、韌性、耐磨性、彈性和高光澤性，具有優(yōu)異的防腐性能，耐酸、堿、鹽、油、化工大氣及良好的耐候性，能在高溫下烘干，也能在低溫下固化。環(huán)氧類材料在持續(xù)沖擊下易發(fā)生破裂和分層，而聚脲涂層則不會有此情況。受限于聚脲涂層的高造價，目前還未在一般供水工程中應用。

王圪堵水庫輸水鋼管管線處于沙漠地帶，無腐蝕性，地下水位低，管道在施工現(xiàn)場加工，綜合比較，采用方便施工的涂料防腐，鋼管內(nèi)、外表面除銹等級Sa2.5。鋼管外壁涂料：底漆采用E06-1無機硅酸鋅防銹漆70μm，中間漆采用842環(huán)氧云鐵防銹漆50μm；面漆采用546環(huán)氧瀝青超厚漿型防銹漆250μm。鋼管內(nèi)壁涂料：841環(huán)氧聚酰胺食品器皿內(nèi)壁涂料，總厚度330μm。

4 管道覆土回填

管道安裝一定長度并驗收合格后就應進行覆土回填，以保護管道。好的回填方法對所有埋地管道的安裝都很重要，特別是對薄壁結構的鋼管更應重視。不合適的填充物會導致管道周圍有空隙，容易使管道產(chǎn)生不均勻沉陷，使管道承受設計未考慮的非正常集中力，因此不應將較大的石塊、樹樁等堅硬固狀物回填到管道周圍。在美國供水工程協(xié)會AWWAM9手冊中，對固狀物大小的限制為≤76mm，管周圍范圍指管外壁≤152mm，可作為施工參考。

埋地圓形鋼管管道結構剛度與管周土體剛度的比例as均小于1，為柔性管道。雖然如此，鋼管依然需要均勻管床墊層承壓，防止管道下沉或偏移。只有荷載均勻地分布到整條管線的邊拱和底拱，管道的承載能力才可充分發(fā)揮。因此，回填料必須進行壓實，施工中采用以下兩種方式：灌水或噴水密實法；氣錘、振動壓實機或其他設備密實法。對于可滲透自干式回填材料，如砂、砂礫石，最好最快的方法是水浸密實法，即將所有回填材料浸濕，但注意不應引起漂管。如果用灌水法，應連續(xù)一層一層將回填料灌濕。對于密實非排水性材料，如粘土或其他非透水性土壤，不能采用水浸濕潤法，由于水不能排出，需要幾周或更長時間才可以干到足以支承管道的程度，這類回填土應采用機械設備進行分層壓實回填料（如采用抓斗式挖掘機），層厚150mm～300mm。施工時要注意，震動或碾壓設備不損壞管道。

王圪堵水庫輸水鋼管沿線管基座落在砂土及砂質(zhì)粉土地層，承載力滿足，除管道底部原土夯實外，全線設置C15混凝土管座，管座厚度0.4m，管座與管道之間弧形角度135°。管溝開挖邊坡因地質(zhì)條件而異，對于沙土地層，地下水位以上臨時開挖坡比1∶1.5、地下水位以下臨時開挖坡比1∶2；對于黃土地層臨時開挖坡比1∶0.75。處于填方段的管基，回填土進行密實處理，相對密度不小于0.65（粘性土壓實度不小于0.95）。沙土管基密實處理采用水墜法。風積黃土層、砂質(zhì)粉土局部具濕陷性，濕陷等級為非自重Ⅰ級～自重Ⅲ級，對于非自重Ⅰ級～Ⅱ級濕陷性黃土段管床，基礎處理措施為原土翻松夯實0.3m，鋪設0.3m厚的3∶7灰土墊層，再澆筑0.4m厚的C15混凝土管座；對于自重Ⅲ級段管床，基礎處理措施為原土翻松夯實1m，鋪設1.0m厚的3∶7灰土墊層，再澆筑0.4m厚的C15混凝土管座?；彝恋膲簩嵪禂?shù)控制在0.95以上。

5 鎮(zhèn)墩設置

壓力管道方向改變處，如彎管、岔管、錐管、閥門會出現(xiàn)不平衡推力。管道推力包括由內(nèi)部壓力產(chǎn)生的靜水推力，由改變流動水動能產(chǎn)生的動水推力，由于大多數(shù)輸水管線中水流流速較低，動水推力通常較小，比如水流速度2.4m/s時產(chǎn)生的動水推力小于0.7m水頭產(chǎn)生的靜水推力。因此，靜水推力是管道失去平衡的關鍵。如果鋼管整體連接，其推力可以自身平衡，但當敷設方向改變附近設有柔性接頭時，管道將失去平衡，為保證此處鋼管的穩(wěn)定，應采取抗滑穩(wěn)定措施，包括設置混凝土支墩（鎮(zhèn)墩）/鋼筋混凝土柱或利用管壁和土壤間的摩擦力等。顯然利用管壁和土壤之間的摩擦力來抵抗不平衡力比較經(jīng)濟，不需要增加工程量，只需滿足一定的安全長度，使抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)≥1.5即可。對于管線上小轉角彎點，可以充分利用土壤的約束力而不設鎮(zhèn)墩，如果通過鋼管和土壤摩擦力和側向壓力承受彎點水流的向心力，在彎點附近的上游、下游設置鋼或混凝土止推環(huán)也可以作為補充和安全儲備。當鋼管需要作水壓試驗時，水壓試驗后才可填土，因此應預先對水壓試驗的方式、分段進行合理的規(guī)劃和安排，以便確定鎮(zhèn)墩受力，保證鎮(zhèn)墩安全和工程預算。

6 問題及結語

輸水工程管道以埋地管道為主，作為工業(yè)基地、城市建設的重要基礎設施，被廣泛應用，其輸送成本低，輸送量大、占地少、運行維護簡單等優(yōu)勢。管網(wǎng)敷設遍及工業(yè)區(qū)和城市的各個角落，為人們的生活提供保障，如何保證管網(wǎng)的正常、安全運行就顯得尤為重要。管道材質(zhì)、敷設地質(zhì)環(huán)境、埋設深度、荷載以及施工質(zhì)量，都會直接影響管道使用壽命，盡可能精細設計、施工，延長管道使用壽命是非常有意義的。在計算機仿真模型的開發(fā)、長距離管道水力計算以及安全保護設備、不同管道-土、沙共同受力模型的研究，管道防腐的改進，新型材料的開發(fā)、管道安全監(jiān)測系統(tǒng)等方面還需要更多的研究，以保證管道的安全性、耐久性和經(jīng)濟性。陜西水利