自流灌區(qū)自壓輸水管材比選設(shè)計

李和兵

(新疆伊犁州水利電力勘測設(shè)計研究院，新疆 伊寧 835000)

1 工程概況

察布察爾縣自流灌區(qū)位于中天山北麓的山前沖～洪積傾斜平原。項目區(qū)位于海拔高程816～652m的伊犁河南岸Ⅱ～Ⅲ級階地上，地勢南高北低，相對平坦、開闊，微地形多沖溝，沖溝面窄而淺，南北向自然坡降6.5～23.5‰，縱坡較大，東西向縱坡0.25～4.2‰，相對平坦。根據(jù)土壤調(diào)查，項目區(qū)土層厚度普遍偏薄，地形坡度又較大，易形成水土流失。結(jié)合灌區(qū)地形、土壤、氣象、農(nóng)作物等自然條件的狀況，噴灌更適合本區(qū)地面縱坡較大、土層相對較薄適宜灌溉糧食作物等特點。噴灌灌溉方式輸水管道有多種材質(zhì)，選用何種材質(zhì)對工程投資和今后的運行管理將產(chǎn)生巨大的影響，因此，地埋輸水管道管材選擇尤為重要。

2 管材比選分析

管道是自壓輸水系統(tǒng)的主要組成部分，由于它在工程中需要的數(shù)量多，占投資比重大，因此選用何種管材應進行科學論證。

自壓輸水管道有多種材質(zhì)，選用何種材質(zhì)對工程投資和今后的運行管理將產(chǎn)生巨大的影響，目前國內(nèi)可供噴灌用的管材有鋼管、鑄鐵管、鋼筋混凝土管、玻璃鋼管、PVC-U管、薄壁鋁合金管、涂塑軟管以及新產(chǎn)品預應力鋼筒混凝土管(PCCP)，其中薄壁鋁合金管和涂塑軟管主要應用在地面移動支管上，其它幾種管材應用在地埋輸水管道上。本文主要對地埋輸水管材進行比選分析。

2.1 管材特性

2.1.1 大口徑預應力混凝土管

大口徑預應力混凝土管承壓能力一般，一般在0.4～0.8MPa，混凝土管的抗腐蝕性能力差，在含有易溶鹽的地段，使用中必須對砼管采取特殊的防護措施，從而增大了投資，再者砼管重量大，同樣管徑時比玻璃鋼管重十幾倍，運輸、安裝均不便，且破損率較高。

2.1.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管作骨干輸配水管材時，在綜合造價(管材、安裝、土建等)上比同樣管徑玻璃鋼管高，重量為玻璃鋼管的十幾倍，且每根管子長度比玻璃鋼管短。優(yōu)點是工作可靠，使用壽命長，約60～70年，長期使用后其粗糙程度會隨運行時間的增長而增加，加大水頭損失，影響過流量。

2.1.3 鋼管

鋼管承壓較高，一般1.5～6.0MPa，與鑄鐵管相比管段長，能承受較大壓力，但易腐蝕，壽命約30年左右，鋪設(shè)在土層中應有良好保護，其綜合造價亦比玻璃鋼管高，且內(nèi)部防腐處理難，與玻璃鋼管材相比仍存在著管壁粗糙，水頭損失大，壽命短，重量大的缺點，另外，大口徑鋼管需采用直縫卷焊法加工，制造困難，須根據(jù)需要定做。

2.1.4 大口徑PCCP管

大口徑PCCP管承壓能力在0.6～3MPa，使用壽命長(一般規(guī)定75年)，鋼性大，不變形。由于PCCP管內(nèi)外均為混凝土，在含有易溶鹽的地段，必須對PCCP管采取特殊的防護措施，采用較抗腐蝕的水泥，從而增大了投資。再者PCCP管重量大，同樣管徑比玻璃鋼管重幾倍，運輸、安裝均不便，同時需要特殊的專業(yè)設(shè)備及安裝隊伍，但是一旦安裝完畢，竣工驗收后，一般來說安全性較高，維護量很小，管徑?jīng)]有變形。

2.1.5 玻璃鋼管

玻璃鋼管在流量、損失相同的情況下管徑比預應力砼管和PCCP管管徑減小1/5，較鋼管、球墨鑄鐵管減少1/10;其次玻璃鋼管內(nèi)壁光滑，摩阻系數(shù)較小(為0.948×105)，水頭損失小;再有玻璃鋼耐腐蝕抗堵塞能力強，不須防腐，重量輕，可塑性強，運輸、安裝均很方便，安裝技術(shù)易于掌握，技術(shù)上完全可行;其耐熱性和抗凍性好，在－40～80℃范圍內(nèi)可長期使用，維修簡單，與其他管材比可節(jié)省工程維護費70%左右;其五管材來源容易，新疆已能生產(chǎn)多種規(guī)格的玻璃鋼管，等級從0.6～2.5MPa，選擇范圍較廣。

對于中等口徑管道(400mm以上)，在輸水能力相同的情況下玻璃鋼管綜合造價均比球墨鑄鐵管、鋼管、PCCP管低，而且玻璃鋼管運輸安裝相對方便。因此中等口徑管道，應優(yōu)先采用玻璃鋼管。

對400mm以下的小口徑管道，PVC-U管價格比同口徑、同壓力的玻璃鋼管低，相對較為經(jīng)濟。

以上就幾種不同材質(zhì)的管道，做了簡單的定性分析。下面著重將玻璃鋼管、球墨鑄鐵管、砼管、鋼管、PCCP管從技術(shù)性能和工程造價上做比較分析:

2.2 管材水力特性

對各種管材的水力特性進行分析比較。從表1分析看，在輸送功率和流量相同的情況下，選用玻璃管，其管道直徑可比選用砼管和鋼管縮小1～2個管徑等級。

表1 各種管材的水力特性、糙率、流量、管徑指數(shù)

從表2、表3比較來看，根據(jù)測算的長度10000米計算，球墨鑄鐵管和砼管內(nèi)壁粗糙，不但水頭損失大，而且長期流水內(nèi)壁很容易產(chǎn)生青苔和藻類物質(zhì)而縮小管徑減少流量，還會因腐蝕造成水的二次污染。經(jīng)測算，各種管材比較，從沿程水頭損失、泵容、年耗電量三方面比較，玻璃鋼管幾乎要節(jié)約投資一半以上。從上表中比較來看，砼管、鋼管和球墨鑄鐵管要比較玻璃鋼管增加兩個管徑等級。

表2 相同管徑不同管材水頭損失比較(管內(nèi)徑設(shè)計值均為D=1400mm)

表3 相同流量、入水口和出水口情形下不同管徑的比較

2.3 管材技術(shù)性能

各種管材壁厚、重量、鋪設(shè)長度、機械性能比較詳見表4、表5。

表4 各種材質(zhì)的壁厚、單重、每噸鋪設(shè)長度比較

表5 各種管材的機械性能比較

從表4、表5的有關(guān)數(shù)據(jù)比較分析，玻璃鋼管不但重量輕、強度高、可塑性很強，運輸、安裝方便，還容易安裝各種分支管，不受各種條件限制，用戶經(jīng)過培訓很容易掌握玻璃鋼管的安裝技術(shù)，經(jīng)很多國內(nèi)外重點工程應用，用戶反映都很好，因此技術(shù)上是完全可行的。

2.4 管材造價

(1)在DN400-DN1200口徑范圍內(nèi)，在相同流量情況下，預應力砼管綜合造價均高于玻璃鋼管。且玻璃鋼管的性能優(yōu)于預應力砼管。

(2)從節(jié)省投資角度考慮，選用玻璃鋼管比選用鋼管要經(jīng)濟。鋼管要做防腐層，增加了管道造價，加之安裝運輸費用，綜合造價要比相同流量玻璃鋼管高得多，以DN1200鋼管綜合價相比，每米比夾砂玻璃鋼管高879.8元，每米造價高出55.3%。

(3)以DN1200球墨鑄鐵管每米單價比相同流量玻璃鋼管道高1320.4元，高86.3%。每米綜合造價高1430.22元，高出89.88%。因此，采用玻璃鋼管與采用球墨鑄鐵管相比，可為項目減少大量投資。

(4)在相同輸水能力的情況下，PCCP管綜合造價比玻璃鋼管高，但PCCP管綜合了鋼管和預應力砼管的優(yōu)點，造價又比同管徑鋼管低，長期使用對水質(zhì)的影響小，維護費用低，提高了管道的使用壽命。

根據(jù)以上綜合比較見表6，本工程的輸水管管徑多在1200mm以下，采用夾砂玻璃鋼管材可比其它管材節(jié)約建設(shè)資金，給項目帶來一定的經(jīng)濟效益，故本設(shè)計采用玻璃鋼管做為輸水管道。

3 夾砂玻璃鋼管施工

3.1 管溝開挖

管溝開挖前應將管道主要控制樁平移至管溝旁較安全(不易擾動)的地方，管溝采用挖掘機開挖，管槽開挖后人工清除管槽底部雜物，一般情況下一次開挖成形;管件安裝部位應適當加寬，加寬寬度以施工方便為宜。遇有建筑物處可根據(jù)建筑物尺寸要求，開挖出建筑物施工斷面，并同時進行基礎(chǔ)處理。在管槽開挖后，應檢查溝底高程，對不符合設(shè)計要求的地方應進行處理，然后再進行安裝。

表6 相同流量下玻璃鋼管與預應力砼管、PCCP管、鋼管、球墨鑄鐵管經(jīng)濟比較

開挖溝糟時，溝底設(shè)計標高以上20～30cm的原狀土應予保留，禁止撓動，鋪管前人工挖至溝底設(shè)計標高，如局部超挖，需用原土填補夯實。溝底應連續(xù)、平整、結(jié)實。當溝底遇到巖石、卵石、硬質(zhì)土、軟的膨脹上、不規(guī)則石塊及浸泡土質(zhì)時，應根據(jù)實際情況挖除，鋪設(shè)150～200mm厚的細土或砂墊層并夯實，否則易造成管身受力不均，出現(xiàn)某小或局部負荷過大，導致試壓或運行中出現(xiàn)爆管事故。在管溝開挖的同時可將管道布置在管溝不堆土一側(cè)，準備安裝。

3.2 地埋管道安裝

管道安裝應按干管、分干管順序進行;按設(shè)計要求將管道平順放入管槽內(nèi)，不得懸空和扭曲;塑料管不得拋摔、拖拉和爆曬，安裝期宜集中，爭取一次成型;在進行管道安裝時，PVC管材與管件在粘合前應用棉紗或干布將承口內(nèi)側(cè)和插口外側(cè)擦拭干凈，然后在承口內(nèi)側(cè)和插口外側(cè)涂刷上粘合劑并立即找正方向?qū)⒐芏瞬迦氤锌冢昧D壓，且24h內(nèi)不得移動管道。管道安裝完畢后，應將每節(jié)管段的中部填土固定(露出接頭)，然后進行沖洗試壓。管道沖洗時應按輪灌的方式從上游到下游、逐級、逐段沖洗，直到目測水清為止。試壓水的壓力不應小于管道設(shè)計壓力的1.25倍，并做好沖洗和試壓記錄。試壓時應緩慢加壓，達到實驗壓力時即停止加壓并保持10分鐘，壓力下降小于5m即為合格;壓力下降超過允許值時說明有漏水管段，應修補后再次進行試壓直至合格。試壓完后進行管溝回填，回填前應清除溝槽內(nèi)一切雜物，排凈積水，在管壁四周10cm內(nèi)的填土不能有直徑大于2.5cm的礫石，回填必須在管道兩側(cè)同時進行，嚴禁單側(cè)回填。

3.3 其他事項

在管路施工中還應注意以下事項。

(1)在管槽開挖后，應檢查溝底高程，對不符合設(shè)計要求的地方應進行處理，然后再進行安裝。

(2)當管道穿越公路、溝道等處時，應加套管、砌筑涵洞等措施加以保護。

(3)附屬設(shè)備與管道連接后，應墊置加固支撐，避免設(shè)備重量加壓在管道上。

(4)管道安裝施工過程中，及時填寫施工記錄并分施工內(nèi)容進行階段驗收，尤其對一些意外情況的處理應填寫清楚。

(5)管道安裝工作間斷期間，應及時封閉敞開的管口。

(6)管道連接時，應嚴格安裝已定的施工方法和程序進行。

(7)管道工程完工后，及時整理施工記錄，繪制施工圖，編寫竣工報告等。

4 結(jié)語

察布察爾縣自流灌區(qū)面積大，利用地形坡降形成自壓噴灌的灌溉型式是該灌區(qū)較為合理的灌溉方式，在輸水管道的管材選擇對工程投資和今后的安全運行管理尤顯重要。目前，察布察爾縣自流灌區(qū)大部分干管系統(tǒng)已通水投入生產(chǎn)，大部分干管系統(tǒng)管材采用夾砂玻璃鋼管，實踐證明，各輸水管道系統(tǒng)運行安全、方便快捷、經(jīng)濟合理。

［1］張志新.對新疆發(fā)展噴灌的認識［J］.節(jié)水灌溉，2007(07).

［2］中國灌溉排水技術(shù)開發(fā)培訓中心，噴灌工程技術(shù)［M］.北京:水利水電出版社，1999.