輸水管道管材及管徑選擇淺析

桑 亮

（北京市南水北調(diào)工程建設(shè)管理中心，北京 100195）

0 前言

管材是影響大型引調(diào)水管道工程造價(jià)的主要因素,不同管道材料，其水力學(xué)特性、耐久性、安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工難易等方面均有不同。管材的選擇應(yīng)考慮輸水管道的重要程度,管道根數(shù)和長(zhǎng)度、運(yùn)行方式及有無(wú)調(diào)節(jié)設(shè)施、管道直徑、正常工作壓力和非穩(wěn)定流極限壓力、外部荷載、管道沿線地質(zhì)條件及地形起伏程度、使用壽命、供貨、運(yùn)輸、工期、安裝等因素綜合確定[1]。

輸水工程中，管材的選擇應(yīng)從工程的規(guī)模、重要性、水質(zhì)狀況、對(duì)管口徑及公壓的要求、工程地質(zhì)、地形、外荷載狀況、工程的工期要求、資金的控制等方面進(jìn)行綜合分析比較后確定。一般而言，適合輸水工程的有預(yù)應(yīng)力混凝土管、PCCP管、鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管，但預(yù)應(yīng)力混凝土管抗?jié)B性能稍差，修補(bǔ)率高，抗高壓性能差，故本文僅對(duì)鋼管、玻璃鋼管、PCCP管、球墨鑄鐵管進(jìn)行比較。

1 管材比選

目前，結(jié)合國(guó)內(nèi)管材生產(chǎn)和工程運(yùn)行的實(shí)際情況，選擇鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管及預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）共五種管材進(jìn)行了比較。對(duì)其功能要求，封閉性能高、輸送水質(zhì)佳、水力條件好、設(shè)備控制靈、建設(shè)投資省。

1.1 功能評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)各功能重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，對(duì)各個(gè)管材方案進(jìn)行功能評(píng)價(jià)。

管材方案功能系數(shù)：

各管材方案成本系數(shù)：

式中：Bi為考慮管材防腐和安裝費(fèi)的延米價(jià)格。

由各方案功能系數(shù)和成本系數(shù)計(jì)算各方案價(jià)值系數(shù):

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，比較各管材方案的價(jià)值系數(shù)，PCCP管材方案系數(shù)最大，其次為球墨鑄鐵管方案[2]。

1.2 各管材方案對(duì)比分析

1.2.1 鋼管（SP）

鋼管剛度小，易變形，內(nèi)襯及外防腐要求嚴(yán)，必要時(shí)需做陰級(jí)保護(hù)，施工過(guò)程中組合焊接工作量大，使用壽命較短，價(jià)格較高。玻璃鋼管（玻璃纖維增強(qiáng)熱固樹脂夾砂管）內(nèi)外壁平滑，具有重量輕、耐腐蝕、水頭損失小，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但基礎(chǔ)與回填要求較高，尤其是生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)管道的影響很大。

鋼管應(yīng)用歷史長(zhǎng)，范圍廣，管材較輕，強(qiáng)度高，管道接口精度高，供水安全性好，施工敷設(shè)方便，適應(yīng)性強(qiáng)，接口形式靈活，管道滲漏量較少，適合用于復(fù)雜地形段和穿越各種障礙運(yùn)輸及施工相對(duì)較容易。

1.2.2 球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵管由于其延伸率可達(dá)10%，具有鐵的本質(zhì)，鋼的性能，耐壓、防腐性能較好，施工方便，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)大口徑球墨鑄鐵管的最大口徑為DN2600 mm，該管材價(jià)格較高。

球墨鑄鐵管被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)供水、輸氣，在建筑領(lǐng)域占有重要地位。①原材料資源豐富，并可再生利用，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響；②經(jīng)濟(jì)可靠，耐腐蝕，且壽命長(zhǎng)，方便現(xiàn)場(chǎng)施工；③滑入式柔性接口具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性較好的特點(diǎn)，承口考慮了橡膠圈的定位和偏轉(zhuǎn)角問(wèn)題，能適應(yīng)一定的基礎(chǔ)變形，具有一定的抗震能力，同時(shí)可利用其偏轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)管線長(zhǎng)距離的轉(zhuǎn)向；缺點(diǎn)是價(jià)格較高。

1.2.3 玻璃鋼管

玻璃鋼管重量輕耐腐蝕，內(nèi)壁光滑不結(jié)垢，阻力小，同等條件下比其他材質(zhì)管道水頭損失小、節(jié)省能耗、安裝方便。但玻璃鋼管管壁相對(duì)較薄，為柔性管道，對(duì)基礎(chǔ)與回填要求較高；生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)管道的質(zhì)量影響很大。

1.2.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCCP）

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管是較經(jīng)濟(jì)的管材，但工作壓力不宜過(guò)高，且接口因施工工藝決定，容易變形、漏水，管身抗?jié)B性能比較差。

1.2.5 PCCP管

PCCP管使用了經(jīng)水壓檢驗(yàn)的鋼筒，兼具鋼材的抗拉、抗?jié)B及混凝土的抗壓、耐腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)，所以能承受較高的內(nèi)壓和外荷載；承插口安裝快捷、方便，接頭密封性能好；耐腐蝕性高，對(duì)地基的適應(yīng)性及抗震性好；內(nèi)壁光滑，不形成瘤節(jié)，表面不結(jié)垢，不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生二次污染，在運(yùn)行中水頭損失少，能保持較好的通水能力。PCCP為直筒型，運(yùn)輸方便，且鋼質(zhì)接頭使得運(yùn)輸安裝過(guò)程中無(wú)損耗。安裝時(shí)溝槽開挖寬度窄，接口工作坑較淺，安裝方便，綜合造價(jià)低，在滿足抗?jié)B性好的前提下，單位工程造價(jià)較低。經(jīng)國(guó)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，壽命在60年以上，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著[3]。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）均按《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管設(shè)計(jì)規(guī)程》（美國(guó)C304-2014）進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。世界上管線最長(zhǎng)的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管工程在利比亞，全長(zhǎng)3100 km，直徑4 m，工壓2.8 MPa，工程現(xiàn)已完工。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的工程，見表1。

表1 應(yīng)用大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管工程一覽表

PCCP管的缺點(diǎn)是重量較重，運(yùn)輸及安裝有一定難度，但國(guó)內(nèi)施工單位已創(chuàng)造了槽內(nèi)安裝簡(jiǎn)易設(shè)備，施工方法簡(jiǎn)便、施工速度加快。

1.3 比選結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述分析，預(yù)應(yīng)力混凝土管、PCCP管、鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況進(jìn)行管材及管徑選擇，對(duì)比結(jié)果，見表2。

表2 四種管材綜合比較表

綜上所述，PCCP管在超大口徑（DN3000 mm以上）的壓力管道中PCCP管具有較明顯的優(yōu)越性。

2 管徑比選

選擇管徑時(shí)，一般采用最小系數(shù)法，計(jì)算各方案的費(fèi)用現(xiàn)值（PC），在滿足同等輸水流量的情況下，費(fèi)用現(xiàn)值較低的方案最佳。

式中：Co為流出量，即費(fèi)用，包括投資和運(yùn)行費(fèi)用，ic為折現(xiàn)率[4]。

以南水北調(diào)工程某輸水線路為例，通過(guò)泵站加壓輸水，輸水流量為0.7 m3/s，輸水管道長(zhǎng)39.6 km，通過(guò)比選，采用球墨鑄鐵管，根據(jù)輸水流量，初步選擇800 mm、900 mm、1000 mm3個(gè)管徑方案進(jìn)行計(jì)算，不同管徑經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果,見表2[5]。

表2 不同管徑經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

工程建設(shè)期按2年，分年度投資每年50%，折現(xiàn)率7%，按設(shè)計(jì)建筑物級(jí)別為3級(jí)，合理使用年限為50年，將各方案投資和年運(yùn)行費(fèi)折現(xiàn)，計(jì)算各方案總費(fèi)用現(xiàn)值。

計(jì)算可知，DN900管徑方案費(fèi)用現(xiàn)值最小，為最優(yōu)方案。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致我國(guó)城市及工業(yè)用水量急速增加，長(zhǎng)距離輸水工程是解決這一問(wèn)題的主要措施之一。隨著科學(xué)技術(shù)地不斷發(fā)展，輸水管道在新材料、新技術(shù)應(yīng)用方面有了較大進(jìn)步，不同管道材料和不同管徑使得工程投資也有所差異。實(shí)際工程中，應(yīng)通過(guò)管道的功能性評(píng)價(jià)，結(jié)合工程實(shí)際對(duì)大型引調(diào)水工程的管材及管徑進(jìn)行選擇，控制工程費(fèi)用，使得項(xiàng)目效益最大化。