榆林市三縣供水工程倒虹吸管材比選和施工技術(shù)分析

沈岳飛

（榆林市水務(wù)集團(tuán)，陜西 榆林 719000）

1 工程概況

榆林市三縣供水項(xiàng)目位于榆林市東南部，是以王圪堵水庫為取水水源的長距離引水工程，供水范圍為無定河兩岸的綏德、米脂2 縣以及無定河支流大理河沿岸的子洲縣3 個(gè)重點(diǎn)縣城和沿線12 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的居民生活用水和第三產(chǎn)業(yè)用水[1]，工程主要包含輸水管線132.32 km，集中凈水廠1 座規(guī)模9.6 萬m3/d，調(diào)蓄池1 座容積8000 m3，加壓泵站1 座，調(diào)壓池2 座，倒虹工程10 座。供水工程主要分為共用和專用工程2 個(gè)部分，共用工程取水口為王圪堵水庫下游電站尾水池（設(shè)閘），管線沿?zé)o定河兩岸階（灘）地布置至綏德物流園區(qū)，輸水線路全長113.96 km。專用工程為綏德、米脂、子洲三縣供水專線，總長18.36 km。本次長距離引水工程共有倒虹吸10 座，倒虹吸布置多，倒虹吸管材和管徑選取合理與否不僅影響工程結(jié)構(gòu)安全，而且影響工程量及投資，因此本文主要從管材和管徑兩方面進(jìn)行綜合比較，選擇結(jié)構(gòu)合理、施工簡單、投資經(jīng)濟(jì)的管材作為倒虹吸管身段，并進(jìn)行倒虹吸現(xiàn)場施工技術(shù)的分析，從而指導(dǎo)倒虹吸現(xiàn)場施工，保證工程質(zhì)量。

2 管材及管徑比選

2.1 管材比選

一般倒虹吸管分預(yù)制和現(xiàn)澆兩種形式，管道橫斷面通常為箱形或圓形，圓形斷面受力條件及水力條件均優(yōu)于箱形斷面，應(yīng)用最為普遍，箱形斷面因立模方便，也應(yīng)用于大流量、低水頭倒虹吸管中。管材比選方法如下：

（1）)輸水線路針對設(shè)計(jì)水頭較豐裕，管道選用較大的設(shè)計(jì)流速，以減小管徑，初選倒虹吸管材主要為鋼管及PCCP管（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管），對地形較陡渠段，采用對地形適應(yīng)性較好的明鋼管形式，地形平坦渠段，選用適宜埋管的PCCP 管，對內(nèi)水壓力超過1 MPa 的區(qū)段，考慮安全性仍采用鋼管。

（2）在管道敷設(shè)形式上，常采用明管和埋管，地形較陡的坡面以明管敷設(shè)較為方便，地形平緩地帶，多為土壤肥沃的農(nóng)田，人機(jī)活動(dòng)頻繁，為便于保護(hù)耕地及減少人機(jī)活動(dòng)對管道的影響，宜采用埋管形式。與公路、河流、溝谷等交叉處，根據(jù)跨越地物的特征、跨度及墩架布置條件，采用高支墩架空管、鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)管橋上敷設(shè)管道等形式從上部跨越，或者采用鋼筋混凝土包管、交叉涵洞內(nèi)敷設(shè)管道等形式從下部穿越。

（3）地形地勢及施工方法。按現(xiàn)澆混凝土管設(shè)計(jì)時(shí)，線路中部湖相積帶地勢低洼，地下水位高，地基軟弱，在現(xiàn)場綁扎鋼筋、立模澆筑至養(yǎng)護(hù)成型，施工工序多，工期長，施工質(zhì)量難以保證。同時(shí)地形較陡且存在起伏變化，需穿越溝谷、道路等，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及管線布置上采用現(xiàn)澆混凝土管均較不利。若采用預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆管，則因倒虹吸線路長、位置分散、地基條件變化大等因素，作業(yè)條件難以穩(wěn)定，且現(xiàn)場施加預(yù)應(yīng)力，工序復(fù)雜，根據(jù)操作條件的差異而具有較大變異性。因此，不推薦采用現(xiàn)澆混凝土管形式。

由此，該引水工程倒虹吸管材主要從鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）等管材之間進(jìn)行比選[2]，比選從管材特性、地形地質(zhì)條件、施工因素、工程量及投資等各個(gè)方面進(jìn)行。各種材料特性敘述見表1。

表1 倒虹吸管材特性比較表

該輸水線路整體流量相差不大，考慮管道選材的整體統(tǒng)一性，結(jié)合本工程的實(shí)際情況，初選管徑為1.4 m，壓力為0.6 MPa的管材進(jìn)行綜合比較列入表2。

表2 倒虹吸管材綜合比較表

從各種管材的投資比較可知（運(yùn)輸及安裝費(fèi)用未計(jì)入），球墨鑄鐵管的管材投資約為鋼管的1.3 倍，預(yù)應(yīng)力混凝土管的管材投資約為鋼管的0.6 倍，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管約為鋼管的0.7 倍，玻璃鋼夾砂管的管材投資約為鋼管的0.9 倍。五種倒虹吸管材投資由小到大依次為：預(yù)應(yīng)力混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、玻璃鋼夾砂管、鋼管和球墨鑄鐵管。

從表2 可以看出，球墨鑄鐵管造價(jià)最高、適應(yīng)變形能力一般，預(yù)應(yīng)力混凝土管管段雖然造價(jià)低、但同管徑下重量過大，運(yùn)輸費(fèi)用高而且施工不便，同時(shí)預(yù)應(yīng)力砼管承壓較低，適應(yīng)不良地基變形的能力差；玻璃鋼夾砂管糙率小、水流條件較好，同等條件下管徑小，造價(jià)較低，但其適應(yīng)不良地基變形的能力差，抗外壓能力較差，本工程地形地質(zhì)條件較差，因此本工程不采用以上三種管型。

鋼管承擔(dān)內(nèi)壓高，結(jié)構(gòu)安全可靠，能適應(yīng)各種地形，適應(yīng)不良地基變形的能力好；預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管造價(jià)較鋼管低，對地基和回填土的要求一般[3]，近年已在多個(gè)引水工程中成功應(yīng)用，具備較優(yōu)良的特性。結(jié)合倒虹吸布置情況，選用鋼管及PCCP 管兩種管材，鋼材根據(jù)工程整體情況一般選用Q345C，多為明管布置，PCCP 管根據(jù)內(nèi)壓選型，布置為埋管形式。對內(nèi)水壓力水頭超過100 m 的管段，考慮接頭的可靠性及運(yùn)行安全，管材選用鋼管[4]。

2.2 管徑比選

根據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 482-2011），倒虹吸初擬管內(nèi)平均流速宜為1.5 m/s～2.5 m/s。參閱國內(nèi)相關(guān)資料，倒虹吸管采用較高流速時(shí)基本為3 m/s～4 m/s，部分已超過4 m/s，由于本段水頭較為充裕，考慮管道流速盡量選擇上限并適當(dāng)提高，以減小管徑。同時(shí)，為整體上控制單個(gè)倒虹吸水損，便于小流量工況的運(yùn)行、消能，對長度較長或使用管材糙率較大的倒虹吸適當(dāng)增大管徑。根據(jù)上述原則，結(jié)合流量與管徑因素，擬定各倒虹吸流速如下[5]：

（1）1#、3#、6#、8# 倒虹吸，管材以糙率較小的鋼管為主，長度不大，擬定流速為3.4 m/s～3.8 m/s，略低于已建倒虹吸的流速較高值。

（2）2#、4#、5#、7#、9#、10# 采用了 PCCP 管材或管道長度較長，擬定流速為2.8 m/s～2.9 m/s，略高于規(guī)范推薦的流速范圍。

根據(jù)初步擬定的設(shè)計(jì)流速，考慮單管、雙管布置方案進(jìn)行比選，按設(shè)計(jì)流速相同的條件，比較情況見表3。

表3 榆林市三縣供水工程倒虹吸管徑比選表

按表3 中設(shè)計(jì)流速，各倒虹吸水損均能滿足設(shè)計(jì)要求，選定流速偏于經(jīng)濟(jì)且在合理范圍之內(nèi)。雙管方案在檢修工況可以兩管輪流過水，在小流量工況也可以通過兩管分別設(shè)閘控制，使單管過流，保證管道接近于設(shè)計(jì)流速運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生較大的剩余水頭給消能帶來困難。采用單管時(shí)，按相同流速，以上最大管徑為3 m，安裝施工仍較方便，相較于雙管方案，管材費(fèi)用、管槽挖填工程量、占地面積及安裝工程量等均減少較多，整體造價(jià)大幅降低，同時(shí)小流量工況消能可以通過設(shè)置進(jìn)出口消力池解決。

以4#到虹吸為例，對單管、雙管方案管道部分投資進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 4#倒虹吸單管、雙管方案管道部分投資比較表（每米線路）

僅進(jìn)行管道部分投資對比，雙管方案已高出單管方案較多，綜合比較，推薦采用單管布置方案。倒虹吸斷面布置圖見圖1。

圖1 倒虹吸斷面布置圖

3 倒虹吸施工技術(shù)要求

3.1 埋管段施工

埋管段施工項(xiàng)目為土石方開挖、土石方回填、管道埋設(shè)等。埋管段管道沿耕地布置，工程施工開挖采用1 m3反鏟開挖，考慮到管線開挖料較少，沿線較長但施工工期不長，采用推土機(jī)推運(yùn)至就近堆放，堆土距離管槽不小于2 m，管道鋪設(shè)后，采用推土機(jī)推運(yùn)開挖料進(jìn)行回填即可。

土石方明挖采用自上而下分層開挖，土方采用人工配合推土機(jī)剝離、挖掘機(jī)進(jìn)行開挖石方由風(fēng)鉆鉆孔爆破。渣料采用挖掘機(jī)裝自卸汽車運(yùn)至渣場棄置。本部分工程的棄渣量少，開挖渣料大部分能回填料進(jìn)行使用。

鎮(zhèn)墩鋼筋混凝土的澆筑：由混凝土拌合機(jī)拌合，溜槽入倉，振搗器振搗平倉。

管道的安裝：管道采用載重汽車運(yùn)輸至安裝工作面，采用75 t 履帶吊車至安裝點(diǎn)，每安裝6 m 進(jìn)行一次管槽回填，固定管道位置。為確保在吊運(yùn)過程中不損傷管道，吊裝采用臨時(shí)用合成纖維15 t，吊管時(shí)在管口兩端用橡膠墊襯墊，做到專業(yè)人負(fù)責(zé)，輕吊輕放。埋管段施工示意圖見圖2。

圖2 埋管段施工示意圖

3.2 明管段施工

明管段施工項(xiàng)目為土石方開挖、土石方回填、鎮(zhèn)支墩混凝土澆筑、鋼管鋪設(shè)等。施工技術(shù)要求如下[6]：

（1）平緩段施工

平緩段土方開挖采用人工配合挖掘機(jī)剝離和開挖，石方由風(fēng)鉆鉆孔爆破，開挖棄渣采用5 t 自卸汽車運(yùn)輸至就近棄渣場。混凝土由0.4 m3混凝土拌合機(jī)拌合，混凝土由膠輪車運(yùn)輸至工作面，人工入倉，振搗器振搗平倉。管道采用8 t 農(nóng)用車運(yùn)輸至工作面后采用挖掘機(jī)結(jié)合人工安裝。

（2）陡坡段

陡坡段土方開挖采用人工配合挖掘機(jī)剝離和開挖，石方由風(fēng)鉆鉆孔爆破，開挖棄渣采用5 t 自卸汽車運(yùn)輸至就近棄渣場?；炷劣?.4 m3混凝土拌合機(jī)拌合，混凝土由膠輪車運(yùn)輸至就近工作面，溜槽結(jié)合人工入倉，振搗器振搗平倉。管道采用8 t農(nóng)用車運(yùn)輸至工作面后，采用電動(dòng)葫蘆、卷揚(yáng)機(jī)結(jié)合牽引至安裝工作面。

（3）沿鄉(xiāng)村道路、公路段

沿鄉(xiāng)村道路段土方開挖采用人工配合挖掘機(jī)剝離和開挖，石方由風(fēng)鉆鉆孔爆破，開挖棄渣采用5 t 自卸汽車運(yùn)輸至就近棄渣場。混凝土由0.4 m3混凝土拌合機(jī)拌合，混凝土由攪拌車運(yùn)輸至工作面，人工入倉，振搗器振搗平倉。管道采用5 t 農(nóng)用車運(yùn)輸至工作面后采用15 t 汽車吊卸至安裝工作面，人工配合安裝。

圖3 沿鄉(xiāng)村道路段施工示意圖

4 結(jié)論及建議

本文通過整體管材的比選，倒虹吸管材上主要采用鋼管、PCCP 管兩種管材，PCCP 管主要用于壓力水頭低于100 m 的埋管段，壓力水頭高于100 m 的管段及低于100 m 的明管段，均采用適應(yīng)性、可靠性較好的鋼管。在管徑上雙管在工程量、管材費(fèi)用及總投資上均大于單管，本工程選擇單管倒虹吸，在施工中主要注意明管段、暗管段、沿公路等施工方法、施工技術(shù)要求，確保倒虹吸順利施工。