不同大口徑管材在西江引水工程中的選用

蘇偉杰

摘 要：隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大口徑輸水管在城市供水中的應(yīng)用日益普遍，文章通過對國內(nèi)幾種最常用的大口徑輸水管道的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能比選研究，推薦適合可供廣州市西江引水工程使用的大口徑輸水管材。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)距離取水；管材；比選

廣州市西江引水工程是廣州亞運(yùn)會配套的民生供水工程，其工程規(guī)模是除南水北調(diào)工程、上海青草沙工程外的又一國內(nèi)特大型引水工程，取水設(shè)計(jì)規(guī)模為350萬m3/d，管線全長71.6公里。目前我國在長距離輸水工程中使用的大口徑管材主要有鋼管（SP）、球墨鑄鐵管（DIP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）管、玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（RPMP）、鋼襯鋼筋砼壓力管，這五種管材在管材特性、輸水安全性、施工難度及市場供應(yīng)情況等方面都存在差異。本文以廣州市西江引水工程為實(shí)例，對上述五種常用管材進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較研究，從而選擇出運(yùn)行安全可靠、施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的管材。

1 輸水管道安全性

西江引水工程輸水管道距離長，管徑大，周邊沿線經(jīng)濟(jì)交通繁忙，工程建成后將成為廣州市的主要城市供水水源，因此必須選擇安全性能高，壽命長的管材。

鋼管環(huán)向強(qiáng)度、彈性模量較高，防滲性能較好，但是防腐性能差，且接口的焊接施工要求較高，現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制難度較大，以往發(fā)生的鋼管爆漏事故中，損壞點(diǎn)基本都在焊口位置。

球墨鑄鐵管強(qiáng)度高、接口可靠，安全性能較好，但由于材料特性和生產(chǎn)工藝的限制，國內(nèi)生產(chǎn)的最大規(guī)格為DN2600，不能滿足本工程輸水管徑方面的要求。

夾砂玻璃纖維管的管壁強(qiáng)度低，機(jī)械強(qiáng)度差，抗沖擊性差，尤其不宜設(shè)于剪力集中位置，對于長距離大型輸水管工程安全系數(shù)偏低，實(shí)際工程應(yīng)用以中、小口徑為主，缺乏大口徑管道的使用經(jīng)驗(yàn)。

PCCP管有良好的抗?jié)B性及耐久性，由于構(gòu)成PCCP的所有鋼材都被密實(shí)的混凝土或水泥砂漿所包裹，承口鋼圈和插口鋼圈安裝后其外露部位均進(jìn)行保護(hù)，混凝土或砂漿提供的高堿性環(huán)境使得包裹在PCCP內(nèi)部的鋼材純化而不會發(fā)生腐蝕，因而使PCCP具有良好的防腐蝕性能，一般能達(dá)到60年以上。

鋼襯鋼筋砼壓力管的內(nèi)襯鋼筒外包300厚鋼筋砼結(jié)構(gòu)在覆土深度為0.7米的情況下能夠滿足管道本身的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定等各項(xiàng)要求以及抗浮穩(wěn)定。同時(shí)，由于外包混凝土的存在使得鋼襯鋼筋砼壓力管的剛度較大，即使在汽車荷載與覆土荷載的共同作用下變形亦很小，滿足管道的變形限制要求。

綜上所述，從管道安全性方面考慮，鋼襯鋼筋砼壓力管和PCCP管優(yōu)勢最為明顯，鋼管及球墨鑄鐵管次之，夾砂玻璃鋼管較差。

2 管材施工技術(shù)分析

西江引水工程管線口徑大，安全性要求高，是否具備成熟可靠的施工技術(shù)，也是管材選擇必須考慮的重點(diǎn)之一。

2.1 鋼管（SP）

鋼管施工一般采用現(xiàn)場焊接形式，技術(shù)較成熟，由于重量適中，管材特性可方便切割和連接，管道配件可以按需要進(jìn)行制作，對復(fù)雜現(xiàn)場條件和各種地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，在現(xiàn)場焊接技術(shù)得到有效控制的情況下，可以確保不會發(fā)生滲漏。鋼管敷設(shè)時(shí)，必須采取適當(dāng)?shù)匿摴軆?nèi)外壁防腐措施，施工過程中，應(yīng)注意對防腐層的保護(hù)。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，管徑在DN2200以上的管道每道焊口焊接時(shí)間一般不少于24小時(shí)，即使多道焊口同時(shí)焊接，施工時(shí)間也較長。

2.2 球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管一般采用橡膠圈密封，承插接口，密封性好，施工技術(shù)成熟，重量適中，對地質(zhì)條件實(shí)用性較強(qiáng)，一般需要做簡單的管道基礎(chǔ)，施工速度較快。

2.3 玻璃鋼夾砂管（RPMP）

玻璃鋼管一般采用橡膠圈密封，承插接口，密封性好，施工技術(shù)較成熟，重量很輕，對地質(zhì)條件適用性較強(qiáng)，一般需要做簡單的管道基礎(chǔ)。玻璃鋼管對于施工現(xiàn)場的管理要求較高，對于回填質(zhì)量要求很高，是目前各種管材中要求最高的一種，使工程費(fèi)提高。玻璃鋼管單根長度較長，且重量小，不需防腐處理，因此施工速度較快。

2.4 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）

PCCP管一般采用雙橡膠圈承插接口，施工技術(shù)較成熟，密封性好。管道兩側(cè)管槽回填料的密實(shí)度要求低于玻璃鋼管，可以使開挖后的土壤得到更多的回填利用，有利于提高工程建設(shè)進(jìn)度、降低工程造價(jià)和對環(huán)境的影響。

由于PCCP管重量較大，因此對施工機(jī)械的要求是幾種管材中最高的，目前PCCP管旋工常采用大型龍門吊或大型履帶吊車，兩者各有利弊，一般根據(jù)施工企業(yè)的自身機(jī)械設(shè)備情況、經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場地形條件、土質(zhì)狀況等綜合選用，根據(jù)目前國內(nèi)實(shí)際情況，大規(guī)格的PCCP管道吊裝機(jī)械已經(jīng)比較常見，不會成為制約因素。

大口徑PCCP采用雙O型橡膠圈止水，密封性能高，接口帶有試壓點(diǎn)，安裝后可用每個(gè)接頭逐一單獨(dú)試壓，有利于保證施工質(zhì)量。接頭安裝后，一般都能一次打壓成功，滴水不漏。這種型式的接頭可以承受高達(dá)3.0MPa以上的水壓力。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)施工作業(yè)面每天可安裝PCCP管道約12根，根據(jù)不同的管徑和管節(jié)長度每日安裝進(jìn)度約50～80米，施工速度較快。

2.5 鋼襯鋼筋砼壓力管

一般情況下，鋼襯鋼筋砼壓力管的施工步驟是：管溝開挖——基礎(chǔ)處理——澆筑底板砼——安裝（焊接）鋼管——扎上部鋼筋網(wǎng)片和支模板并澆筑砼——回填。

通過上述管道連接安裝方式的比較可以看出，PCCP管和夾砂玻璃鋼管的安裝施工較為方便，施工方式也有保證。鋼管的焊接方式耗時(shí)長，而且焊接質(zhì)量易受現(xiàn)場氣候因素及施工條件的影響。鋼襯鋼筋砼壓力管施工耗時(shí)最長。

3 管材比選及結(jié)論

3.1 管材特性比較

從水力條件而言，玻璃鋼夾砂管最優(yōu)，糙率系數(shù)為0.001；PCCP管居中，鋼襯鋼筋砼壓力管、鋼管和球墨鑄鐵管相當(dāng)，糙率系數(shù)約為0.013。從管材的工程力學(xué)特點(diǎn)考慮，鋼管適用性最強(qiáng)，環(huán)向強(qiáng)度、彈性模量較高，可承受較高的內(nèi)水壓力和管頂外荷條件，能適應(yīng)各種地質(zhì)條件。鋼襯鋼筋砼壓力管由于澆筑底板砼且外包混凝土，故能承受較高的內(nèi)水壓力和管頂外荷條件。球墨鑄鐵管承受外壓的能力比鋼管差，接口為柔性，管道轉(zhuǎn)彎處需設(shè)支墩，以防接口脫落。PCCP管是半柔性接口，要求管道基礎(chǔ)局部變形不應(yīng)過大。玻璃鋼管相對而言壁薄，為柔性管道，對基礎(chǔ)與回填要求較高。從管道的使用壽命而言，鋼襯鋼筋砼壓力管使用壽命最長，球墨管、玻璃鋼夾砂管、PCCP都也可以達(dá)到50年以上，鋼管的使用壽命取決于防腐層施工質(zhì)量和運(yùn)行維護(hù)水平等因素。從管材的生產(chǎn)運(yùn)輸靈活性而言，鋼管及其管配件可工廠生產(chǎn)或現(xiàn)場制作，接口采用就地焊接，運(yùn)輸和施工安裝方便。球墨管、玻璃鋼管和PCCP管材和管配件都需工廠定做。玻璃鋼管重量輕，運(yùn)輸方便。PCCP管自重最大，運(yùn)輸較為困難。

3.2 口徑范圍、管材制造供貨及國內(nèi)應(yīng)用實(shí)例等比較

鋼管設(shè)計(jì)制作方便，口徑范圍廣，在大量供水工程中得到了廣泛應(yīng)用，在長距離輸水工程中鋼管的使用積累了最為豐富的經(jīng)驗(yàn)。

大中口徑球墨鑄鐵管，國內(nèi)生產(chǎn)規(guī)格一般不超過DN2600，實(shí)際應(yīng)用超過DN2200的較少，能制造的廠家也不多，缺乏市場競爭力，價(jià)格高。

玻璃鋼夾砂管國內(nèi)已具備大中口徑的生產(chǎn)能力（DNl600～ DN3000），制造工藝為纖維纏繞型，但在城市給水工程中應(yīng)用較少，以DN1600及以下口徑較為成熟，大于DN1600以上實(shí)際應(yīng)用很少。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）國外實(shí)際使用最大口徑己達(dá)6.4m以上。到目前為止，國內(nèi)PCCP管規(guī)格范圍從DN600到DN4800，適用工作壓力最高達(dá)1.6MPa，最大覆土深度達(dá)10m以上。近幾年國內(nèi)應(yīng)用長距離大口徑PCCP的主要工程如表1所示。

上述己竣工通水的工程迄今為止未因管道質(zhì)量問題發(fā)生過事故，顯示出了該管材的供水可靠性，為長距離輸水創(chuàng)造了有利條件。

3.3 結(jié)論

綜合以上因素考慮，玻璃鋼管應(yīng)用于壓力供水以DN1600及以下口徑較為成熟，大于DN1600以上實(shí)際應(yīng)用很少。結(jié)合西江引水工程所在地區(qū)地形地質(zhì)狀況分析，管線沿線地形和地質(zhì)條件變化復(fù)雜，管線沿線障礙較多，玻璃鋼夾砂管適應(yīng)性不強(qiáng)，故此不推薦采用。

由于制造技術(shù)、能力等方面原因，國內(nèi)能生產(chǎn)的大口徑球墨鑄鐵管（DN2200～DN2600）價(jià)格居高不下，比鋼管和PCCP管要高出許多，國內(nèi)能制造的廠家也不多，生產(chǎn)能力均有限，市場缺乏競爭力。

結(jié)合本工程特點(diǎn)，適合的大口徑管材（DN3200以上）有鋼管和PCCP管?？紤]到管線沿線總體來說交通運(yùn)輸條件較好，地質(zhì)條件也可以滿足大口徑PCCP管的要求，且PCCP管埋管單位造價(jià)較鋼管低，因此大口徑（>DN3200）輸水管道的主管材推薦采用PCCP管，局部穿越障礙（道路、河流）工程采用鋼管。

對于配水支線管道，由于管道基本在廣州市區(qū)道路邊緣及道路上敷設(shè)，考慮管道的運(yùn)輸及安裝條件，配水管道管材均考慮采用鋼管。