浅谈灌溉项目重力流输水管材选用

刘鹏举

（甘肃省水利水电勘测设计研究院 甘肃 兰州 730000）

1 概况

甘肃省古浪县黄花滩项目是一项中型水利工程，属于生态移民暨扶贫开发项目，为新开发的农业灌溉工程。灌溉管网由干管、分干管、支管3级管道组成，采用全管道输水方案，管网总长达到108.40km，可控制的灌溉面积达到8.62万亩，其中先期实施南北分干和南三支渠，均采用用重力流方式输水。

南三支从南分干桩号4+696处取水，支管总长8.052km，控制面积达到1.35万亩，总落差为74.18m。

2 管材及性能介绍

黄花滩项目基于长距离输水工程的情况，结合实际需要拟采用钢管、硬聚氯乙烯管、预应力钢筋混凝土管、离心球墨铸铁管、抗冲改性硬聚氯乙烯管5种管材，各种管材的基本情况及性能介绍如下：

2.1 钢管

由于钢管耐高压、韧性好、管壁较薄、管段较长，同时由于接头少、运输起来比较方便，在施工的时候使用方便、建设周期短，适合于复杂地势条件，也可用于穿越障碍建筑物。钢管也有显而易见的不足之处，壁厚较小的钢管刚度小，焊接处的接头如有质量问题较难发现，另外，钢管对衬里及外围的防腐要求严格，而且必要时必须进行阴极保护，当然，钢管的造价相对较高。

2.2 离心球墨铸铁管（DIP）

球墨铸铁管兼具钢和铁的特点，其强度高、延伸率都比较高，耐腐蚀性也比较好，使用寿命长，橡胶圈柔性接口密封效果好，适用于各种地基情况，内、外压承受能力强，同时，铸铁管还备有各种配件，适用于管道转弯、变径、分岔和各种阀门位置的连接，便于管道连接。缺点是管道造价相对较高且输水过程中管壁易产生腐蚀馏。[1]

2.3 硬聚氯乙烯管（PVC-U）

硬聚氯乙烯管（PVC-U）的优点是具有较高的硬度、刚度和许用应力，抗老化能力好，经久耐用，寿命可达50年，耐腐蚀，价廉，易于粘接、承插连接，可回收，安装方便简捷，密封性好。在小口径管材中具有一定的竞争力。缺点是由于其抗外压性能不太好，PVC-U管埋设较深时容易变形。因此，硬聚氯乙烯管适合于浅埋，并且只能满足顶部荷载较小的情况（例如：过车等）。

2.4 抗冲改性硬聚氯乙烯管（PVC-M）

相对PVC-U管而言，PVC-M的管材抗水锤等冲击荷载的能力较好，并且重量轻，运输较为方便，具有较好的运行安全性。缺点是大口径的抗冲改性硬聚氯乙烯管工作压力较低，不具备很好的抗外压稳定性能，当在地下埋设的时候，比较容易发生变形破坏。[2]

2.5 预应力钢筋混凝土管

从生产工艺来看，其可以分为三阶段应力管和一阶段应力管两种。其优点是加工的工艺简单，造价比较低。同金属管材相比，其耐腐蚀能力强，内壁不容易结垢，输水能力不易随时间下降，也不会引起水质变化。相对于铸铁管而言，其安装更为简单，工程质量可控，成本较低。但缺点是其重量大、易碎、管身易断裂，安装和运输均比较困难，且由于内压承受能力不强，输水时安全性不佳，并且使用寿命也比较短。

3 管材规格选择

3.1 管径计算

南三支桩号 0+000～5+837段（5.837km）设计流量为 0.421m3/s；桩号5+837～8+052段（2.215km）设计流量为0.274m3/s。

管道管径参照《灌溉与排水工程设计规范》（GB/T 50288-99）按式3-1计算：

式中：D——管道内径(mm)；

V——经济流速(m/s)；

Q——设计流量(m3/h)，取1.2。

根据式3-1计算所得管道最小内径分别为668.52mm、539.32mm。

3.2 水力学计算

按照《灌溉与排水工程设计规范》（GB/T 50288-99）的相关条款规定，管道沿程水头损失的计算公式见式3-2（其中：局部水头损失按沿程水头损失的10%计算）。计算成果如表3-1所示。

式中：hf——管道沿程水头损失（m）；

f——摩阻系数；

Q——流量（m3/h）；

m——流量指数；

L——管道长度（m）；

表3-1 力学计算成果

b——管径指数；

d——管道内径（mm）；

表3-2 管道规格选择表

表4-1 管材经济比较表 （元/m）

表5-1 管材环刚度列表

表5-2 管道最大覆土深度计算结果

表5-3 管道环刚度校核计算表

3.3 管材规格确定

根据3.1节和3.2节计算结果，结合各种管材现有公称压力等级和规格尺寸，最终确定的各种管材的公称压力等级和规格如表3-2所示。

4 管材经济比较

根据上述结果，发现拟采用的5种管道，除预应力砼管外，其余管材均符合水力学要求，但还需要进行经济比较。为使经济比较结果有可信度，比较以相同设计条件（流量、压力）下，以南三支渠前段5.837km（桩号0+000～5+837段）的管道为比较对象，进行经济比选。由于各种管材管径相差不大，因此土建费用不计入总价进行比较。而对于管材单价而言，则根据国内多家厂商的市场报价（工地价）进行分析，再进行确定。具体结果详见经济比较表。

从表4-1可以看出，四种管材中，铸铁管和PVC-M管道价格相对钢管和PVC-U管价格较低。

5 管材抗外压稳定性分析

由于其他两种管道价格高出PVC-M管和铸铁管较多，所以设计中不考虑选用；因此，仅对PVC-M管和离心球墨铸铁管进行力学性能方面的分析比较。

由于项目管线需要穿越西气东输管线及金大快速通道，因此对管材的埋置深度有要求，对管材的抗外压稳定性能要求较高。本节分析计算了该项目管道的最大埋置深度，以及在正常埋深、满足过车要求的情况下管道的最小环刚度。

5.1 管道环刚度确定

环刚度计算公式如式5-1所示，根据其计算的两种管材环刚度如表5-1所示。

式中：S——环刚度（kN/m2)；

E——材质弹性模量（MPa）；

I——每单位长度管壁的二次面积矩（mm3）；

e——管壁的厚度（mm）；

D——管的平均直径（mm）。

球墨铸铁管环刚度计算值大于规范GB/T 13295-2008给定值，因此，后续计算均取规范给定值。

5.2 最大覆土深度计算

根据《给水排水工程结构设计手册》第二版的有关条款规定，球墨铸铁管道和抗冲改性硬聚氯乙烯管都为柔性管。其抗外压稳定的计算公式为：

式中：ωd,max——管道在准永久组合作用下的竖向最大变形；

DL——变形滞后效应系数，本次计算取1.5；

kd——竖向压力作用下柔性管竖向变形系数；

D1——管道直径（mm）；

Fsv,k——管顶竖向土压力标注值；

Ed——管侧土的综合变形模量（N/mm2）；

Sp——管材环刚度（N/mm2）。

φq——荷载系数；

qvk——地面车辆荷载或堆积荷载在管顶竖向压力标准值（KN/m2）；

由式1可以看出，柔性管道抗外压稳定性能与其环刚度Sp有直接关系，dn800 PN1.25的PVC-M管环刚度为7.9kN/m2，K9级DN700的离心球墨铸铁管的环刚度为34kN/m2。

在相同设计条件下（流量、压力等级），对PVC-M管和K9级离心球墨铸铁管的管顶最大覆土深度进行了计算（桩号0+000～5+837段），其结果如表5-2所示：

由此可见，在相同设计条件下，离心球墨铸铁管的抗外压稳定性能要远远大于PVC-M管。

5.3 设计埋置深度下管道最小环刚度

球墨铸铁管、PVC-M管道在满足最小设计埋深，有过车的情况下，管道会发生变形，为了防止发生变形破坏，本文计算了这两种管道在设计埋深下有汽车荷载作用时的最小环刚度，而管道计算环刚度S见表5-1。

按照《给水排水工程埋地球墨铸铁管道结构设计规范》（CECS142-2002）4.2.3节规定：

式中：Fsv,k——竖向土压力标准值（KN/m）；

γs——土容重（KN/m3）；

Hs——管顶覆土厚度（m）；

而ωd,max=εD1式5-4

式中：ε——管道允许径向变形（%）

根据式5-2、5-3、5-4联合可以得出：

由式5-5可以看出，管道满足设计最小覆土深度下，最小的环刚度与管径无关。根据《公路工程技术标准》（JTG-B01-2003），汽车荷载取为公路II级标准，经计算在管顶覆土1.5m的情况下，要满足过车要求，其管材的环刚度必须满足≥3.6kN/m2。

由下表5-3可以看出，在设计最小埋深下，两种管材均能满足过车要求。

6 管材确定

由第4节经济比较结果可知，在满足工程设计要求的情况下，仅南三支渠前段5.837km（桩号0+000～5+837段）球墨铸铁管道较PVC-M管就节约了造价105.6万元。

由第5节外压稳定分析结果可知，两种管材均能满足工程技术要求，但球墨铸铁管道具有更明显的优势。

黄花滩灌区属中型重力流灌区，管线压力大、长度长，且斗口众多，运行工况复杂，根据委托武汉大学对黄花滩管网进行的水力仿真计算结果，南三支渠瞬态工况下最大水头达到109.51m，对管材压力等级要求较高[3]。

因此，综合考虑后，采用离心球墨铸铁管道作为南三支渠设计管材。

7 结语

目前，黄花滩项目南三支渠工程已建成通水运行，管道运行情况良好，为当地移民开发提供了可靠的水源保障，取得了良好的经济效益。

从本工程来看，对于重力流输水的灌溉用地埋管道管材选用思路，主要考虑在满足工程设计要求、价格相近的前提下，优先选用环刚度较大的管材。陕西水利

[1]高长全.抗冲改性硬聚氯乙烯压力管道(P V C-M)的开发与应用[J].国际塑料管道交流会（北京），2009.

[2]蒋劲.黄花滩输水管网水力仿真计算设计报告[S].武汉，2012.