滹沱河太原水質(zhì)提升調(diào)水工程管材選擇

郭 晴

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 滹沱河太原水質(zhì)提升調(diào)水工程概況

滹沱河太原水質(zhì)提升調(diào)水工程位于山西省忻州市和太原市的陽曲縣境內(nèi)，其中忻州市涉及五臺縣、定襄縣和忻府區(qū)。本工程以建成的坪上應(yīng)急引水工程為基礎(chǔ)，取坪上泉域的泉水為水源，充分利用現(xiàn)有水源工程、取水工程、泵站工程、隧洞工程及管線工程，通過新建少量的工程，實(shí)現(xiàn)向太原供水的目標(biāo)。

本工程分為兩大部分：水源地工程和輸水線路工程。其中，水源地工程分為三部分，分別是水泉灣水源地、清水河水源地和引水隧洞，主要建筑物包括水源地取水建筑物、壓力管線、管線附屬建筑物、加壓泵站、引水隧洞等；輸水線路工程主要建筑物包括輸水管線、管線附屬建筑物、輸水隧洞、加壓泵站、調(diào)壓池以及調(diào)節(jié)池等。

本工程近期取水規(guī)模為7200萬m3/年（取水流量2.29m3/s），其中忻州市 1200m3/年，太原市 6000m3/年；遠(yuǎn)期最終取水規(guī)模為1億m3/年（取水流量3.17 m3/s）?？紤]到輸水線路工程大部分位于忻定盆地中，線路沿線地形條件復(fù)雜，地面建筑物較多，穿越河流和交通干道多的因素，若考慮按近期規(guī)模設(shè)計(jì)輸水線路，遠(yuǎn)期再擴(kuò)建工程的難度將會很大。因此，按照總體設(shè)計(jì)、分期實(shí)施的原則，設(shè)計(jì)規(guī)模確定為：

1）水源地工程

水泉灣水源地規(guī)模取水流量1.29 m3/s，清水河水源地規(guī)模取水流量按照《坪上應(yīng)急引水工程變更設(shè)計(jì)報(bào)告》的批復(fù)意見（即1.0 m3/s）確定，引水隧洞襯砌部分按照原設(shè)計(jì)完建。

2）輸水線路工程

供水干線（即甲子灣調(diào)壓池至季莊段），近期維持原設(shè)計(jì)規(guī)模（即2.29 m3/s）；季莊以下的管線及隧道按照遠(yuǎn)期規(guī)模（即3.17 m3/s）確定；芝郡加壓泵站機(jī)組及輔機(jī)設(shè)備按照近期規(guī)模（即1.90 m3/s）確定，廠房等建筑物按照遠(yuǎn)期規(guī)模（即3.17 m3/s）確定。

2 管材的種類及比較

本工程輸水工程管線全長79.21 km，其中利用現(xiàn)有坪上應(yīng)急引水供水干管長度28.5km，新建50.70km，絕大部分布置于地勢平坦的忻定盆地，整個(gè)管線沿線農(nóng)田地段占絕大部分，有較好的地形及地質(zhì)條件；局部地段管道布置需穿越滹沱河、云中河和牧馬河等河道，穿越二廣高速、五保高速公路和108國道等交通干道，穿越北同蒲鐵路和臺忻線鐵路等，沿線地形、地質(zhì)條件較為復(fù)雜，對管道安全防護(hù)要求較高。

輸水工程管線管道工作特點(diǎn)：1）現(xiàn)有坪上應(yīng)急引水工程的供水干線，最大輸水流量為2.29 m3/s，最大工作壓力為0.6～1.0 MPa；2）季莊-芝郡段輸水管道輸水流量為 3.17 m3/s，最大工作壓力為 0.6～1.0 MPa；3）芝郡-上佐段輸水管道輸水流量為3.17 m3/s，最大工作壓力為1.0～2.5 MPa，其中有14.4 km的管道最大工作壓力在1.6 MPa以上。

作為距離長、保證率高的供水工程，要求輸水管道具有較高的可靠性能、抗外界不利因素性能及耐久性能。從當(dāng)下我國管材應(yīng)用的成熟程度和我省大水網(wǎng)工程中管材的使用情況來看，球墨鑄鐵管（DIP）、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、改性預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PPCCP）、玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（FRPM）和鋼管均可以滿足以上幾個(gè)方面的要求。根據(jù)本工程供水管線總體布置沿線地形地質(zhì)條件、輸水方式等情況，考慮坪上應(yīng)急引水工程中輸水管材的實(shí)際運(yùn)用情況，本次重點(diǎn)針對預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、球墨鑄鐵管（DIP）和玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（FRPM）進(jìn)行管材綜合比選。

2.1 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是指在帶有鋼筒的高強(qiáng)混凝土管芯上纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲，并在其上噴制致密的水泥砂漿保護(hù)層而制成的輸水管。它是由薄鋼板、高強(qiáng)鋼絲和混凝土構(gòu)成的復(fù)合管材，具有以下特點(diǎn)：1）相比混凝土管具有良好的抗?jié)B性；2）管材承內(nèi)水壓力高，可適應(yīng)較大的埋深；3）管道連接采用承插式定型鋼制口環(huán)，密封性能良好；4）在一般土壤中具有一定的耐腐蝕性；5）管件可按需制作、安裝簡便、效果可靠；6）與普通鋼管相比，管材使用壽命長；7）管道接口屬于半柔性接口，對管道基礎(chǔ)回填要求高；8）管道自重大，安裝運(yùn)輸較為不便；9）在強(qiáng)腐蝕環(huán)境，需管道外壁增加防腐措施。

目前國內(nèi)應(yīng)用其輸水工作壓力已達(dá)2.0 MPa。

2.2 球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管的主要成分有鐵、碳、硅、錳、硫、磷和鎂等，是一種高強(qiáng)度合金管道，具有以下特點(diǎn)：1）可承受較大的內(nèi)水壓力，可達(dá)到3.0 MPa，其延伸性能好，剛度、抗拉強(qiáng)度均較大；2）管件型號齊全，能適應(yīng)各種管徑安裝需要；3）管道通常采用屬柔性接口的承插口進(jìn)行連接，施工方便、快捷；4）管道自重小，安裝方便；5）耐腐蝕能力強(qiáng)于鋼管，但弱于非金屬管道；6）管壁內(nèi)襯水泥砂漿，內(nèi)壁相對光滑；7）屬柔性管道，對地基適應(yīng)性較強(qiáng)；8）比鋼管的使用壽命長；9）管壁較薄，抗外壓能力較差，對基礎(chǔ)與回填要求較高；10）相對于非金屬管道，價(jià)格較高。

目前國內(nèi)應(yīng)用已達(dá)到DN2400承受2.5 MPa的工作壓力。

2.3 玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（FRPM）

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管是一種輕質(zhì)，高強(qiáng)，耐腐蝕的非金屬管道，具有以下特點(diǎn)：1）密度小，具有優(yōu)良的力學(xué)物理性能；2）內(nèi)表面光滑，水力性能優(yōu)異，在相同工況條件下，可以選用較小的管徑或功率較小的輸送泵；3）接口密封性好，不滲漏，不會破裂，增加供水安全可靠性；4）耐腐蝕，抗老化，使用壽命長，不結(jié)垢，維護(hù)簡便，成本低；5）承內(nèi)水壓力高；6）與普通鋼管及鑄鐵管相比，使用壽命長；7）綜合造價(jià)低，安裝快捷，安全可靠；8）玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管管壁較薄，抗外壓能力較差，對基礎(chǔ)與回填要求較高。

目前國內(nèi)應(yīng)用已達(dá)到DN2200承受2.5 MPa的工作壓力。

2.4 管材的選擇

三種管材特性比較見下表1，三種管材單位綜合造價(jià)見下表2。

由表1、表2比較可知，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、球墨鑄鐵管和玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管，均具有各自的特點(diǎn)，結(jié)合本工程管徑大、輸水距離長的特點(diǎn)和管道沿線地形、地質(zhì)條件，參考省內(nèi)類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮本工程屬省會城市水質(zhì)提升工程，為確保飲用水安全，綜合考慮確定本工程輸水線路工程中季莊至芝郡段和小迦東至泥屯段（即重力流段）使用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，芝郡至上佐段（即泵壓段）使用球墨鑄鐵管，局部穿河段和交通干道地段使用鋼管。

不同管材長度及壓力等級統(tǒng)計(jì)見表3輸水管道長度及壓力等級統(tǒng)計(jì)表。

表1 管材特性比較表

表2 管材單位綜合造價(jià)比較表

表3 輸水管道長度及壓力等級統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)語

由滹沱河太原水質(zhì)提升調(diào)水工程輸水管道的管材選擇情況看，管材的選擇必須依據(jù)管線沿線穿越地區(qū)地形、地質(zhì)、地下水埋深等條件，結(jié)合工程的重要程度、輸水流量等因素，考慮各種管材的自身管徑、工壓、承載能力等特點(diǎn)，并把工程對工期要求及資金控制等各方面因素加入，進(jìn)行綜合比較后，才能最終予以確定。

在長距離輸水工程中，管道的管材投資在工程總投資中占較大的比重，同時(shí)管道的安全運(yùn)行對工程的安全運(yùn)行起著非常重要的保證作用。目前，因管材選擇不當(dāng)引發(fā)安全事故的實(shí)例屢有發(fā)生，帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失。故長距離輸水工程輸水管材的合理選擇，對工程安全可靠運(yùn)行，施工簡單、方便，節(jié)約資金，管理維護(hù)、維修快捷等方面均有重要意義，不容忽視。