大興支線工程管道管材比選及相關(guān)參數(shù)確定

張志偉，劉玉忠，王圣文，何奇峰，馮克義，楊進(jìn)新

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，北京100048）

1 概 述

南水北調(diào)中線大興支線工程主要連通北京南干渠與河北廊涿干渠，通過調(diào)節(jié)池及加壓泵站，實現(xiàn)供水線路雙向輸水，為規(guī)劃新機場水廠提供雙水源通道，同時亦為北京市增加一條南水北調(diào)中線水進(jìn)京通道，每年可增加進(jìn)京水量1.0億～1.5億m3，在近期河北省用水需求暫時達(dá)不到規(guī)劃水量的情況下，可以通過向北京輸水，進(jìn)一步發(fā)揮南水北調(diào)中線工程效益。

大興支線工程將承擔(dān)連通北京市與河北省南水北調(diào)配套工程的任務(wù)，提高兩地供水保證率，工程運行分為正向及反向輸水，正向輸水方式為自流輸水，輸水流量為6.1 m3/s，即南干渠及廊涿干渠水源通過大興支線以自流方式輸送至新建調(diào)節(jié)池，再經(jīng)新機場連接線管道輸送至新機場水廠；反向輸水方式為泵站加壓輸水，輸水流量為4.0 m3/s，工作壓力為0.5 MPa，即當(dāng)南干渠及廊涿干渠有一方出現(xiàn)事故檢修情況時，另一方以泵站加壓方式輸送水作為應(yīng)急保障水，使北京市與河北省的南水北調(diào)水互?；ネā＞C合兩種輸水方式，該工程主要有9種運行工況[1]。大興支線工程示意見圖1。

圖1 大興支線工程示意

2 管道水力計算及管徑確定

南干渠至調(diào)節(jié)池及廊涿干渠至調(diào)節(jié)池設(shè)計為重力流輸水，根據(jù)《室外給水設(shè)計規(guī)范》（GB50013—2006），輸水干管不宜少于2條，當(dāng)有安全貯水池或其他安全供水措施時，也可修建1條[2]。鑒于大興支線輸水管道距離較長，建設(shè)2條管道的投資較大，其作為新機場水廠供水雙水源通道，單管方案工程費用及拆遷占地費用較低等，最終確定供水方案采用單管，這對管道輸水保證率提出了更高的要求。

管道的總水頭損失計算公式為

式中：hz為管道總水頭損失，m；hf為管道沿程水頭損失，m；hj為管道局部水頭損失，m。

沿程水頭損失hf的計算采用達(dá)西公式[3]3：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)，由謝才公式求得；l為計算管段長度，m；v為流速，m/s；D 為管道內(nèi)徑，m；g為重力加速度，m/s2。

局部水頭損失hj計算公式[3]9為

式中：ξ為局部水頭損失系數(shù)。

根據(jù)南干渠高家堡分水口低運行水位，北京市南水北調(diào)系統(tǒng)正常供水運行條件下，設(shè)計工況可利用水頭為16.82 m，南干渠—加壓泵站段管道水力計算結(jié)果見表1。

表1 南干渠—加壓泵站段管道水力計算結(jié)果

根據(jù)表1計算結(jié)果，在輸水流量（Q=6.1 m3/s）一定的條件下，輸水管道總水頭損失與管道糙率成正比，與管道直徑成反比，鑒于設(shè)計工況可利用水頭為16.82 m，考慮管道末端出口留有1.0 m左右的富裕水頭，則水頭損失最大限度不能超過15.82 m，當(dāng)然水頭損失也不能過小，過小會造成末端剩余水頭數(shù)值增大，造成能量浪費，工程投資增大，因此應(yīng)盡可能選擇與最大水頭損失相當(dāng)?shù)墓艿啦诼始肮軓浇M合。通過分析得出，選擇糙率為0.011～0.012、直徑為2.40 m的輸水管道作為該工程管材選取的控制參數(shù)能滿足工程需要。

3 管材比選

輸水工程中，管道管材的選擇應(yīng)根據(jù)工程規(guī)模、重要性、水質(zhì)狀況、系統(tǒng)布置、管道口徑、工作壓力、管道埋深、地形地質(zhì)情況、施工條件、工期要求及管道生產(chǎn)和運輸條件，結(jié)合運行維護進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟綜合比較后確定；應(yīng)盡可能選擇技術(shù)成熟、抗腐蝕性及耐久性能強的管材。另外，需要考慮事故工況水錘壓力對管道的影響，根據(jù)工程實際情況選擇適合的管材[4]。管材應(yīng)具備抗?jié)B性好、水力條件好、抵抗內(nèi)外壓能力強、施工易控制、安裝運輸方便、后期運行管理方便、建設(shè)成本低等特點。

大興支線工程管道沿新鳳河向西至永定河灌渠，沿永定河灌渠向南至辛莊村南，在辛莊村南向西穿永定河左堤至北京市與河北省交界，北京段全長約33.4 km，管道需沿永定河灌渠渠底敷設(shè)，所處環(huán)境較為特殊，穿越現(xiàn)狀跨河建筑物30余座，管道大部分采用明挖施工。局部穿越現(xiàn)狀跨河建筑物處采用非開挖頂管工法施工。鑒于工程的特殊性，對輸水管道管材的要求較高，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，結(jié)合目前國內(nèi)管材生產(chǎn)及運用實際情況，選擇普通鋼管、涂塑復(fù)合鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管4種管材進(jìn)行比選。

綜上所述，第2代320排螺旋CT掃描技術(shù)采用AIDR-3D算法，聯(lián)合應(yīng)用自動曝光控制技術(shù)，球管旋轉(zhuǎn)時間0.3 s，在不影響肝灌注參數(shù)HAF、PVF、PI值的情況下，輻射劑量較第1代320排螺旋CT機明顯降低。此外，兩者HAF、PVF、PI值相似說明其聯(lián)合應(yīng)用不影響肝臟腫瘤的隨訪觀察。

3.1 普通鋼管

普通鋼管是目前大口徑埋地管道中運用最為廣泛的管材，國內(nèi)常用最大鋼管直徑達(dá)4 000 mm，焊管形式有螺旋縫埋弧焊管和直縫埋弧焊管，其承受內(nèi)壓能力極好，制作和焊接技術(shù)已相當(dāng)成熟。鋼管在施工上很方便，易與任何管材銜接，在地形復(fù)雜的地段還可采用頂管工法進(jìn)行施工。但鋼管自身剛度小、易變形、抗腐蝕性差，管道內(nèi)外均須進(jìn)行除銹和防腐處理，管材價格較貴，且焊口及焊口防腐需要在現(xiàn)場進(jìn)行，施工時組合焊接工作量大，施工質(zhì)量難以保證。

3.2 涂塑復(fù)合鋼管

涂塑復(fù)合鋼管是以鋼管為基管，在其內(nèi)表面熔融涂敷一層防腐層，在其外表面涂敷塑料層或其他材料防腐層的鋼塑復(fù)合產(chǎn)品。涂塑鋼管是國內(nèi)新發(fā)展的一種管道材料，整合了鋼管和塑料產(chǎn)品的共同優(yōu)點。它不僅具有鋼管的高強度、易連接、耐水流沖擊等優(yōu)點，還克服了鋼管遇水易腐蝕、結(jié)垢及塑料管強度不高、消防性能差等缺點。但涂塑復(fù)合鋼管具有與鋼管相同的問題，其焊口及焊口防腐需要在現(xiàn)場進(jìn)行，采用熱縮套，受天氣影響較大，質(zhì)量不好控制。

3.3 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管原材料資源豐富，并可再生利用，對環(huán)境無不良影響，具有高強度、高延伸率、硬度低、經(jīng)濟可靠、耐腐蝕、壽命較長等特點，近些年被廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)的供水、輸氣工程中。球墨鑄鐵管大部分采用柔性接口，接口結(jié)構(gòu)簡單、密封性較好，承口考慮了橡膠圈的定位和偏轉(zhuǎn)角問題，能適應(yīng)一定的基礎(chǔ)變形，具有一定的抗震能力。另外，利用其偏轉(zhuǎn)角可實現(xiàn)管線長距離轉(zhuǎn)向[5]。按壁厚級別系數(shù)K取值的不同，球墨鑄鐵管標(biāo)準(zhǔn)壁厚分為K8級、K9級、K10級、K12級。球墨鑄鐵管外壁采用噴涂瀝青或噴鋅防腐，內(nèi)壁襯水泥砂漿防腐。管材為工廠直接生產(chǎn)、運輸至現(xiàn)場施工，現(xiàn)場安裝效率高，節(jié)省工期。主要缺點是價格較高。

3.4 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管簡稱PCCP，PCCP使用經(jīng)水壓檢驗的鋼筒，兼具鋼材的抗拉、抗?jié)B及混凝土的抗壓、耐腐蝕性優(yōu)點，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，對地基的適應(yīng)性好，抗震性好；內(nèi)壁光滑，不會對水質(zhì)產(chǎn)生二次污染，輸水性能好；安裝方便，綜合造價低，在滿足抗?jié)B性要求的前提下，其單位工程造價較低。但PCCP制造工序多，是鋼板、混凝土、高強鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品制造質(zhì)量控制困難，修復(fù)工藝復(fù)雜；在高內(nèi)水壓力作用下預(yù)應(yīng)力鋼絲易斷絲，不易維護[6]。

綜上，對普通鋼管、涂塑復(fù)合鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管分明挖工法及非開挖頂管工法兩種情況進(jìn)行了比較，見表2、表3。

3.5 常用管材經(jīng)濟指標(biāo)對比

對符合要求的管道進(jìn)行經(jīng)濟指標(biāo)對比，管材單價通過廠家詢價及市場報價綜合對比確定?？芍?，明挖工法管材在相同管徑條件下鋼管與涂塑復(fù)合鋼管價格相當(dāng)，較PCCP價格高，相比之下球墨鑄鐵管價格最高；非開挖頂管工法管材在相同管徑條件下鋼管價格最低，PCCP次之，頂進(jìn)用球墨鑄鐵管道價格最高。

表2 明挖工法管材對比

表3 非開挖頂管工法管材對比

4 管材及相關(guān)參數(shù)確定

4.1 管材確定

直徑1 600～2 600 mm范圍內(nèi)管材明挖鋪設(shè)PCCP管道可承受較大的內(nèi)外荷載，具有較大的價格優(yōu)勢，但工藝復(fù)雜，制造質(zhì)量難以控制；涂塑復(fù)合鋼管較傳統(tǒng)鋼管在防腐、糙率和使用壽命上有較大優(yōu)勢，價格相差不多，且涂塑復(fù)合鋼管力學(xué)性能最優(yōu)、糙率低、不易結(jié)垢；球墨鑄鐵管安裝方便，抗外壓能力強，價格稍高。

根據(jù)該工程特點，鑒于供水對象重要、管線輸水距離長、供水保證率要求高、通水工期緊，經(jīng)多工況比選，自流及泵站加壓相結(jié)合，南干渠與廊涿干渠連通管道采用單管方案，選擇直徑2 400 mm的球墨鑄鐵管作為該工程的管材，雖然管材價格較高，但工程的耐久性好、使用壽命長，適用于明挖、頂管等施工工藝，施工方便快捷，運行管理費用低。

4.2 管道內(nèi)外防腐確定

球墨鑄鐵管常規(guī)內(nèi)防腐為水泥砂漿內(nèi)襯[7]，直徑2 400 mm的球墨鑄鐵管水泥砂漿內(nèi)襯公稱厚度為12 mm，水泥砂漿內(nèi)襯糙率較大，易對輸送水質(zhì)造成污染，在此條件下對內(nèi)防腐形式進(jìn)行了改進(jìn)，水泥砂漿內(nèi)襯表面噴涂一層水性環(huán)氧涂料，固化而成環(huán)氧密封層，涂料為無毒的，不會對水質(zhì)產(chǎn)生任何有害的影響，達(dá)到了飲水級標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后內(nèi)襯具有優(yōu)異的防腐性能，并能保證輸送水質(zhì)不受污染，結(jié)合了主動防腐與被動防腐的綜合性能，具有長久的抗腐蝕能力。

水泥砂漿內(nèi)襯及水泥砂漿內(nèi)襯環(huán)氧密封層水力試驗結(jié)果見表4[8]，結(jié)合工程實際情況，考慮彎頭及三通等管件的影響，直徑2 400 mm的球墨鑄鐵管水泥砂漿內(nèi)襯環(huán)氧密封層糙率取值為0.012。

表4 水泥砂漿內(nèi)襯及水泥砂漿內(nèi)襯環(huán)氧密封層水力試驗結(jié)果

球墨鑄鐵管外防腐采用鋅層+瀝青保護層。噴鋅層平均不小于200 g/m2，外層采用瀝青保護層，選用的填料對涂層的耐腐蝕性能無有害影響，平均厚度不小于 70 μm。

4.3 接口型式確定

球墨鑄鐵管接口型式主要有滑入式、機械式、法蘭式等，該工程采用了滑入式T型接口及機械式K2型接口。機械式K2型是近年新出現(xiàn)的接口型式，該接口型式與常規(guī)接口型式相比具有不需要將管道挖開，直接在管道內(nèi)部就可以更換橡膠圈的性能，免去了后期運行管理的麻煩。K2型接口主要由橡膠圈、組合圈、壓圈、螺栓、墊棒組成。

4.4 管道級別確定

依據(jù)《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS142：2002）中球墨鑄鐵管管道的強度、剛度及穩(wěn)定計算公式[9]，經(jīng)試算，采用K10級球墨鑄鐵管，當(dāng)管頂外荷載（水重及土重）相當(dāng)于4.0 m厚覆土壓力時，管道變形滿足規(guī)范要求。

通過計算分析，考慮地面堆積荷載，管道明挖段覆土設(shè)計按2.0～2.5 m厚控制，局部不足部位采用包封保護，能滿足管道強度及剛度要求。由此得出，大興支線采用1-DN2400mmK10級球墨鑄鐵管能夠滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

根據(jù)工程特點及特殊性，結(jié)合工期、技術(shù)可行及經(jīng)濟指標(biāo)綜合考慮后選擇1-DN2400mmK10級球墨鑄鐵管作為大興支線工程的管材。先期施工1 km長管道作為試驗段，驗證工程效果。2017年5月，大興支線工程試驗段完工并通過驗收，施工期內(nèi)采用明挖、頂管等施工工藝，施工方便快捷；運行至今經(jīng)歷了外部地面載荷等考驗，一直運行良好，實踐證明工程設(shè)計是成功的。直徑2 400 mm的球墨鑄鐵管在北京市南水北調(diào)配套工程大興支線工程中的使用填補了大口徑球墨鑄鐵管在長距離輸水工程應(yīng)用的空缺，提高了大口徑長距離輸水管道的技術(shù)與設(shè)計水平。