淺談灌溉項(xiàng)目重力流輸水管材選用

劉鵬舉

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 甘肅 蘭州 730000）

1 概況

甘肅省古浪縣黃花灘項(xiàng)目是一項(xiàng)中型水利工程，屬于生態(tài)移民暨扶貧開發(fā)項(xiàng)目，為新開發(fā)的農(nóng)業(yè)灌溉工程。灌溉管網(wǎng)由干管、分干管、支管3級(jí)管道組成，采用全管道輸水方案，管網(wǎng)總長達(dá)到108.40km，可控制的灌溉面積達(dá)到8.62萬畝，其中先期實(shí)施南北分干和南三支渠，均采用用重力流方式輸水。

南三支從南分干樁號(hào)4+696處取水，支管總長8.052km，控制面積達(dá)到1.35萬畝，總落差為74.18m。

2 管材及性能介紹

黃花灘項(xiàng)目基于長距離輸水工程的情況，結(jié)合實(shí)際需要擬采用鋼管、硬聚氯乙烯管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、離心球墨鑄鐵管、抗沖改性硬聚氯乙烯管5種管材，各種管材的基本情況及性能介紹如下：

2.1 鋼管

由于鋼管耐高壓、韌性好、管壁較薄、管段較長，同時(shí)由于接頭少、運(yùn)輸起來比較方便，在施工的時(shí)候使用方便、建設(shè)周期短，適合于復(fù)雜地勢(shì)條件，也可用于穿越障礙建筑物。鋼管也有顯而易見的不足之處，壁厚較小的鋼管剛度小，焊接處的接頭如有質(zhì)量問題較難發(fā)現(xiàn)，另外，鋼管對(duì)襯里及外圍的防腐要求嚴(yán)格，而且必要時(shí)必須進(jìn)行陰極保護(hù)，當(dāng)然，鋼管的造價(jià)相對(duì)較高。

2.2 離心球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管兼具鋼和鐵的特點(diǎn)，其強(qiáng)度高、延伸率都比較高，耐腐蝕性也比較好，使用壽命長，橡膠圈柔性接口密封效果好，適用于各種地基情況，內(nèi)、外壓承受能力強(qiáng)，同時(shí)，鑄鐵管還備有各種配件，適用于管道轉(zhuǎn)彎、變徑、分岔和各種閥門位置的連接，便于管道連接。缺點(diǎn)是管道造價(jià)相對(duì)較高且輸水過程中管壁易產(chǎn)生腐蝕餾。[1]

2.3 硬聚氯乙烯管（PVC-U）

硬聚氯乙烯管（PVC-U）的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的硬度、剛度和許用應(yīng)力，抗老化能力好，經(jīng)久耐用，壽命可達(dá)50年，耐腐蝕，價(jià)廉，易于粘接、承插連接，可回收，安裝方便簡(jiǎn)捷，密封性好。在小口徑管材中具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力。缺點(diǎn)是由于其抗外壓性能不太好，PVC-U管埋設(shè)較深時(shí)容易變形。因此，硬聚氯乙烯管適合于淺埋，并且只能滿足頂部荷載較小的情況（例如：過車等）。

2.4 抗沖改性硬聚氯乙烯管（PVC-M）

相對(duì)PVC-U管而言，PVC-M的管材抗水錘等沖擊荷載的能力較好，并且重量輕，運(yùn)輸較為方便，具有較好的運(yùn)行安全性。缺點(diǎn)是大口徑的抗沖改性硬聚氯乙烯管工作壓力較低，不具備很好的抗外壓穩(wěn)定性能，當(dāng)在地下埋設(shè)的時(shí)候，比較容易發(fā)生變形破壞。[2]

2.5 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管

從生產(chǎn)工藝來看，其可以分為三階段應(yīng)力管和一階段應(yīng)力管兩種。其優(yōu)點(diǎn)是加工的工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)比較低。同金屬管材相比，其耐腐蝕能力強(qiáng)，內(nèi)壁不容易結(jié)垢，輸水能力不易隨時(shí)間下降，也不會(huì)引起水質(zhì)變化。相對(duì)于鑄鐵管而言，其安裝更為簡(jiǎn)單，工程質(zhì)量可控，成本較低。但缺點(diǎn)是其重量大、易碎、管身易斷裂，安裝和運(yùn)輸均比較困難，且由于內(nèi)壓承受能力不強(qiáng)，輸水時(shí)安全性不佳，并且使用壽命也比較短。

3 管材規(guī)格選擇

3.1 管徑計(jì)算

南三支樁號(hào) 0+000～5+837段（5.837km）設(shè)計(jì)流量為 0.421m3/s；樁號(hào)5+837～8+052段（2.215km）設(shè)計(jì)流量為0.274m3/s。

管道管徑參照《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50288-99）按式3-1計(jì)算：

式中：D——管道內(nèi)徑(mm)；

V——經(jīng)濟(jì)流速(m/s)；

Q——設(shè)計(jì)流量(m3/h)，取1.2。

根據(jù)式3-1計(jì)算所得管道最小內(nèi)徑分別為668.52mm、539.32mm。

3.2 水力學(xué)計(jì)算

按照《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T 50288-99）的相關(guān)條款規(guī)定，管道沿程水頭損失的計(jì)算公式見式3-2（其中：局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)算）。計(jì)算成果如表3-1所示。

式中：hf——管道沿程水頭損失（m）；

f——摩阻系數(shù)；

Q——流量（m3/h）；

m——流量指數(shù)；

L——管道長度（m）；

表3-1 力學(xué)計(jì)算成果

b——管徑指數(shù)；

d——管道內(nèi)徑（mm）；

表3-2 管道規(guī)格選擇表

表4-1 管材經(jīng)濟(jì)比較表 （元/m）

表5-1 管材環(huán)剛度列表

表5-2 管道最大覆土深度計(jì)算結(jié)果

表5-3 管道環(huán)剛度校核計(jì)算表

3.3 管材規(guī)格確定

根據(jù)3.1節(jié)和3.2節(jié)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合各種管材現(xiàn)有公稱壓力等級(jí)和規(guī)格尺寸，最終確定的各種管材的公稱壓力等級(jí)和規(guī)格如表3-2所示。

4 管材經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)上述結(jié)果，發(fā)現(xiàn)擬采用的5種管道，除預(yù)應(yīng)力砼管外，其余管材均符合水力學(xué)要求，但還需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。為使經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果有可信度，比較以相同設(shè)計(jì)條件（流量、壓力）下，以南三支渠前段5.837km（樁號(hào)0+000～5+837段）的管道為比較對(duì)象，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選。由于各種管材管徑相差不大，因此土建費(fèi)用不計(jì)入總價(jià)進(jìn)行比較。而對(duì)于管材單價(jià)而言，則根據(jù)國內(nèi)多家廠商的市場(chǎng)報(bào)價(jià)（工地價(jià)）進(jìn)行分析，再進(jìn)行確定。具體結(jié)果詳見經(jīng)濟(jì)比較表。

從表4-1可以看出，四種管材中，鑄鐵管和PVC-M管道價(jià)格相對(duì)鋼管和PVC-U管價(jià)格較低。

5 管材抗外壓穩(wěn)定性分析

由于其他兩種管道價(jià)格高出PVC-M管和鑄鐵管較多，所以設(shè)計(jì)中不考慮選用；因此，僅對(duì)PVC-M管和離心球墨鑄鐵管進(jìn)行力學(xué)性能方面的分析比較。

由于項(xiàng)目管線需要穿越西氣東輸管線及金大快速通道，因此對(duì)管材的埋置深度有要求，對(duì)管材的抗外壓穩(wěn)定性能要求較高。本節(jié)分析計(jì)算了該項(xiàng)目管道的最大埋置深度，以及在正常埋深、滿足過車要求的情況下管道的最小環(huán)剛度。

5.1 管道環(huán)剛度確定

環(huán)剛度計(jì)算公式如式5-1所示，根據(jù)其計(jì)算的兩種管材環(huán)剛度如表5-1所示。

式中：S——環(huán)剛度（kN/m2)；

E——材質(zhì)彈性模量（MPa）；

I——每單位長度管壁的二次面積矩（mm3）；

e——管壁的厚度（mm）；

D——管的平均直徑（mm）。

球墨鑄鐵管環(huán)剛度計(jì)算值大于規(guī)范GB/T 13295-2008給定值，因此，后續(xù)計(jì)算均取規(guī)范給定值。

5.2 最大覆土深度計(jì)算

根據(jù)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版的有關(guān)條款規(guī)定，球墨鑄鐵管道和抗沖改性硬聚氯乙烯管都為柔性管。其抗外壓穩(wěn)定的計(jì)算公式為：

式中：ωd,max——管道在準(zhǔn)永久組合作用下的豎向最大變形；

DL——變形滯后效應(yīng)系數(shù)，本次計(jì)算取1.5；

kd——豎向壓力作用下柔性管豎向變形系數(shù)；

D1——管道直徑（mm）；

Fsv,k——管頂豎向土壓力標(biāo)注值；

Ed——管側(cè)土的綜合變形模量（N/mm2）；

Sp——管材環(huán)剛度（N/mm2）。

φq——荷載系數(shù)；

qvk——地面車輛荷載或堆積荷載在管頂豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2）；

由式1可以看出，柔性管道抗外壓穩(wěn)定性能與其環(huán)剛度Sp有直接關(guān)系，dn800 PN1.25的PVC-M管環(huán)剛度為7.9kN/m2，K9級(jí)DN700的離心球墨鑄鐵管的環(huán)剛度為34kN/m2。

在相同設(shè)計(jì)條件下（流量、壓力等級(jí)），對(duì)PVC-M管和K9級(jí)離心球墨鑄鐵管的管頂最大覆土深度進(jìn)行了計(jì)算（樁號(hào)0+000～5+837段），其結(jié)果如表5-2所示：

由此可見，在相同設(shè)計(jì)條件下，離心球墨鑄鐵管的抗外壓穩(wěn)定性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PVC-M管。

5.3 設(shè)計(jì)埋置深度下管道最小環(huán)剛度

球墨鑄鐵管、PVC-M管道在滿足最小設(shè)計(jì)埋深，有過車的情況下，管道會(huì)發(fā)生變形，為了防止發(fā)生變形破壞，本文計(jì)算了這兩種管道在設(shè)計(jì)埋深下有汽車荷載作用時(shí)的最小環(huán)剛度，而管道計(jì)算環(huán)剛度S見表5-1。

按照《給水排水工程埋地球墨鑄鐵管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（CECS142-2002）4.2.3節(jié)規(guī)定：

式中：Fsv,k——豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m）；

γs——土容重（KN/m3）；

Hs——管頂覆土厚度（m）；

而ωd,max=εD1式5-4

式中：ε——管道允許徑向變形（%）

根據(jù)式5-2、5-3、5-4聯(lián)合可以得出：

由式5-5可以看出，管道滿足設(shè)計(jì)最小覆土深度下，最小的環(huán)剛度與管徑無關(guān)。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG-B01-2003），汽車荷載取為公路II級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)計(jì)算在管頂覆土1.5m的情況下，要滿足過車要求，其管材的環(huán)剛度必須滿足≥3.6kN/m2。

由下表5-3可以看出，在設(shè)計(jì)最小埋深下，兩種管材均能滿足過車要求。

6 管材確定

由第4節(jié)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果可知，在滿足工程設(shè)計(jì)要求的情況下，僅南三支渠前段5.837km（樁號(hào)0+000～5+837段）球墨鑄鐵管道較PVC-M管就節(jié)約了造價(jià)105.6萬元。

由第5節(jié)外壓穩(wěn)定分析結(jié)果可知，兩種管材均能滿足工程技術(shù)要求，但球墨鑄鐵管道具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。

黃花灘灌區(qū)屬中型重力流灌區(qū)，管線壓力大、長度長，且斗口眾多，運(yùn)行工況復(fù)雜，根據(jù)委托武漢大學(xué)對(duì)黃花灘管網(wǎng)進(jìn)行的水力仿真計(jì)算結(jié)果，南三支渠瞬態(tài)工況下最大水頭達(dá)到109.51m，對(duì)管材壓力等級(jí)要求較高[3]。

因此，綜合考慮后，采用離心球墨鑄鐵管道作為南三支渠設(shè)計(jì)管材。

7 結(jié)語

目前，黃花灘項(xiàng)目南三支渠工程已建成通水運(yùn)行，管道運(yùn)行情況良好，為當(dāng)?shù)匾泼耖_發(fā)提供了可靠的水源保障，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

從本工程來看，對(duì)于重力流輸水的灌溉用地埋管道管材選用思路，主要考慮在滿足工程設(shè)計(jì)要求、價(jià)格相近的前提下，優(yōu)先選用環(huán)剛度較大的管材。陜西水利

[1]高長全.抗沖改性硬聚氯乙烯壓力管道(P V C-M)的開發(fā)與應(yīng)用[J].國際塑料管道交流會(huì)（北京），2009.

[2]蔣勁.黃花灘輸水管網(wǎng)水力仿真計(jì)算設(shè)計(jì)報(bào)告[S].武漢，2012.