旧院水库供水工程管材比选和水力设计

摘 要：旧院水库工程为贵州省水利生态建设石漠化治理“三位一体”综合规划建设的骨干水源工程之一，工程任务为农田灌溉、工业供水兼农村人畜饮水。文章以贵州省六枝特区旧院水库工程为例，对水利工程中常用输水管材焊接钢管、球墨铸铁管、预应力混凝土管（PCCP）、玻璃夹砂管（GRP）进行了技术经济比较，介绍了玻璃夹砂管水力学计算过程，提出玻璃夹砂管在旧院水库供水工程中是一种适用性较强、经济合理的管材。

关键词：贵州省；玻璃夹砂管（GRP）；比选；设计

1 工程概况

六枝特区旧院水库位于六盘水市东部，距省会贵阳市174km，工程主要任务为灌溉新场乡、岩脚镇的耕地4.15万亩，并向六枝特区中心城区提供3.40万m3/d的生活、生产用水。水库总库容1458万m3，挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，最大坝高41.50m。总干管管首设计流量为2.494m3/s，总干管后分左、右输水干管，左干管农田灌溉输水，右干管农田灌溉兼城市供水，右、右干管总长20.7km。

2 常用的输水管材

2.1 焊接钢管

焊接钢管通常选用Q235-C（A3）镇静钢钢板制作，其优点是强度高，管材及管件易加工，可现场卷板加工，管厂建设周期短，特别是地形复杂的地段，可根据地形的起伏制作相应的连接件，使用灵活。但钢管的刚度小，易变形，衬里及外防腐要求严，必要时需作阴极保护，施工过程中组合焊接工作量大，焊缝探伤工作量大，与其它压力管相比，施工造价较高。

2.2 球墨铸铁管

球墨铸铁管已大量使用在城市供水管网中。其优点是延伸率、刚度、抗拉强度均较大，承受土壤静荷载及地面动荷载的能力通常比其它管材强，衬里和管壁外表面不需另作防腐，采用承插式接口，组装工艺成熟，可承受内水压力超过2.5MPa以上，使用寿命通常有50～100年，比化学管材及钢管使用寿命长；其缺点是只能提供标准管件，单管重量大，同直径、同内压单位长度管重比钢管重1.35倍，在野外交通条件不便的情况下二次搬运费用高，安装不便。

2.3 预应力混凝土管（PCCP）

PCCP管是我国于20世纪90年代初从美国引进的新型管材生产技术，采用新型复合材料，其工作原理是：将预应力钢丝按设计拉应力和螺距连续均匀地缠绕在混凝土管芯上，使其处于压应力状态，能够平衡内部压力或外部荷载而不破裂。在2000年以来，PCCP管广泛用于水利、电力、市政和自来水供水主管项目上，其中南水北调工程北京段采用了DN4000mm的PCCP管，为国内同类管道最大口径。其主要优点有材料单价低、采用承插式接口，安装方便；其缺点主要是PCCP管容易发生的空鼓问题，尤其是离心成型的管材。该管材的混凝土与水泥砂浆表面的裂缝较难控制，且标准管件重量大，比同管径、同压力作用下的钢管重2.8倍，运输困难，施工难度大。

2.4 玻璃夹砂管（GRP）

玻璃夹砂管又称玻璃纤维增强树脂塑料管。大口径夹砂管在源水引用管道上，国内外使用较多。它重量轻，强度高，抗腐蚀，易安装，水力性能优异，糙率仅0.009，而且管径越大其优势越明显；其缺点为刚度小，管道基础要求较严，必要时需作砂垫层，对回填料和压实度有非常严格的要求，玻璃夹砂管破裂维修，通常采用玻璃钢粘补，它必须在干燥的环境下作业，野外工作困难。

3 管材比选

3.1 钢管和预应力砼管比较

目前使用的预应力砼管公称压力在0.2～1.0Mpa，因此仅水头在1.0Mpa以下考虑预应力砼管，对于高于1.0Mpa以上水头的管道，按压力要求直接采用焊接钢管。

可以看出虽然预应力砼管比钢管重，但价格便宜，综合下来0.2～1.0Mpa采用预应力砼管比钢管经济。

3.2 钢管和球墨铸铁管比较

球墨铸铁管和钢管单价相当，但球墨铸铁管施工方便，对同样管径的管道，应选择单位重量较轻的材料，由上表不难看出Φ800mm的管道，球墨铸铁管重量较大无优势，本工程仍选用焊接钢管。

3.3 钢管和夹砂管比较

钢管和夹砂管比较，目前使用的夹砂管公称压力在0.6～2.5Mpa，因此两者都能满足本工程的要求。

管材比较表

钢管和夹砂管的壁厚相当，采用夹砂管根据水力计算管径只需要700mm，从上表不难看出夹砂管从重量和价格上要优于钢管，只是存在施工复杂等因素，综合考虑下来夹砂管比钢管要经济。

3.4 预应力砼管和夹砂管比较

从上表可以看出预应力砼管比夹砂管重，管径大，目前使用的预应力砼管公称压力在0.2～1.0Mpa，在同等公称压力下夹砂管比预应力砼管造价低，综合考虑下夹砂管比预应力砼管经济。

综上所述，从管道压力要求、经济性及安全运输条件等综合考虑，本工程供水管道以夹砂管为主，局部隧洞明管段采用预应力混凝土管。

4 水力设计

4.1 管径计算

输水管采用夹砂管和混凝土管，考虑24小时输水，管道的直径根据技术经济条件结合运用情况来综合选择。按管径计算经验公式进行初估。4.3 水击计算

有压管道系统中，由于水力控制装置迅速调节流量（如关闭阀门），管道内流速相应地急速变化，致使管道内水流也相应地急剧升高或降低，并在管道内传播，这种现象称为水击（或水锤）。在有压管道系统必须对水击进行计算，以保证管道运行安全。计算公式采用《水工建筑物荷载设计规范》中附录E，计算结果为（见表3）。

4.4 减小水击压力措施

水锤现象的本质主要是管道内水流动量变化引起的，单位时间动量变化越大，水流产生的冲击波越大；动量变化的实质是流速的改變，而流速的改变取决于闸阀关闭时间的长短，即闸阀关闭时间的长短对水击压力影响非常大。

根据以上计算结果可以看出，闸阀关闭的时间对水击压力影响非常明显，因此延长闸阀关闭时间是行之有效的减小水锤压力措施；事实上，当关闭时间足够长时，水锤压力很小甚至可以忽略不计。本工程闸阀均为手动控制，为减小水锤压力值，充分延长闸阀关闭时间可以做到的。但结合实际情况，不可能用很长时间来关闭阀门，本工程将阀门关闭时间控制在2分钟以内即可满足运行安全要求。

本工程是采用重力流输水方式，输水管道内各流速均在3m/s以内，依据中国工程建设标准化协会标准《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS193；2005）中第3.25节中第2条：“重力输水管道的最大流速不宜大于3m/s。当流速大于3m/s时，应经过水锤分析计算设置减压想能装置和其他水锤防护措施。”因此，对于本工程而言，各管道流速均小于3m/s，再延缓阀门关闭时间，在管道末端不会产生过大的水击，不需要设置专门的水锤防护装置。

在管道的结构计算中，依据既要充分考虑水击作用确保管道安全运行，又要考虑节约材料，节省投资。根据水击计算成果，取静水头的20%作为水击升高值考虑是可以满足安全要求的。

5 结束语

文章通过旧院水库供水工程各种管材技术、经济比较及水力学计算进行了介绍，我们对旧院水库供水工程有了初步了解。由于每个工程所受工程地形、地质条件限制，其具体比选和设计会有所不同。在具体的工程环境下，应结合具体的情况，合理比较输水管材、对管线设计进行比选，使项目发挥最大经济效益。

参考文献

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作者简介：吴春占（1980-），男，工程师，从事水利工程建设和管理工作。