引调水工程常用管材的比较分析

王 培，来晓芸

(1.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072；(2.四川省水利电力工程建设监理中心，成都，610072)

我国幅员辽阔，各地降水量差异很大，水资源分配不均匀。在广大的经济发展核心地区，水资源的短缺长期制约着地方的经济和社会发展，为解决这一突出问题，长距离引调水工程应运而生。近年来，倒虹吸管也大量出现在各大引调水工程中，输水管材的合理选择对设计、施工、工程投资、安全运行的重要性越来越突出。

1 工程概况

四川省蓬溪船山灌区工程是国务院确定的全国172项重大水利工程之一，是一项具有灌溉、城乡工业生活供水等综合功能的大型水利工程，工程地处成渝经济区的腹心地带。

工程包括西梓干渠延长段、白鹤林囤蓄水库工程、蓬船干渠、文吉分干渠、蓬南分干渠、7条支渠分支渠及田间工程，工程为Ⅱ等工程。全灌区灌溉面积6.31万hm2。灌区渠线总长174.9km，其中干渠和分干渠渠线总长104.76km，支渠分支渠渠线总长70.16km。工程于2016年10月通过初步设计方案批复，批复的中干渠、分干渠上共布置倒虹管6座，管材均采用玻璃钢夹砂管；支渠分支渠上共布置倒虹管12座，管材材质均选用球墨铸铁管。

2 原设计方案

2.1 建筑物等级及防洪标准

折弓倒虹管工程位于西梓干渠延长段上，设计输水流量为12.5m3/s，依据《灌溉与排水工程设计标准》(GB 50288-2018)的规定，建筑物级别为4级。由于折弓倒虹管结构水头压差较大(H≥50m)等因素，列为跨河重点建筑物，建筑物级别提高为3级。设计防洪标准为20年一遇，校核防洪标准为50年一遇。

2.2 结构设计

折弓倒虹管跨长782m，轴线长831m，设计流量为12.5m3/s，最大水头75m。倒虹管结构主要分为进口段、管身段、出口段。

进口段包括渐变段、前池、闸室段及挡墙，进水口设在挡水胸墙的下部，与管身段连接。进口段在闸室段由隔墙分成进口节制闸及泄水冲沙闸，节制闸与泄水闸平行布置为整体，节制闸布置为一孔。倒虹管进水口位于节制闸后面挡水胸墙下部，进口设置为方变圆。

管身段采用玻璃钢夹砂管，单管布置，管径为2.9m(内径)。管身采用地埋式布置，设19个镇墩。管节单节长6m，采用承插式接头。倒虹管最大水头约为75m。为便于管道检修、清淤或放空，在管道高程较低的4号镇墩处设置进人孔，进人孔兼作放水孔，在管身上凸部位即10号镇墩管顶处设一自动排气阀。

出口段包括节制闸、消力池以及渐变段，节制闸与出口挡水胸墙布置在一起，设置一扇工作闸门。渐变段之后与下游矩形明渠相接。

2.3 管材比选

初步设计阶段，根据折弓倒虹管所承受的最大水头H和管道内径D的乘积HD值(见表1)，拟定管道材料从钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、玻璃钢夹砂管和钢管中进行选择。

表1 折弓倒虹管HD值

相对而言，玻璃钢夹砂管、钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管和PCCP管比较经济，钢管的成本相对最高；对于钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管和PCCP管而言，钢筋混凝土管及预应力钢筋混凝土管管壁厚度略大，重量相对较大，接头止水易损坏。PCCP管作为近年来在大中型输水渠道中运用较多的新材料，抗压强度高，适用范围广，而且价格相对较低，但已建工程运行使用情况反映，PCCP管存在电化学腐蚀问题；玻璃钢夹砂管优点在于重量轻便于运输、耐高温、防腐蚀性能强并且水力条件好，糙率小(n=0.008～0.009)。

初步设计阶段对PCCP管和玻璃钢夹砂管进行详细比较选择。

(1)水力学条件比较：水头损失基本一致的情况下， PCCP管、玻璃钢夹砂管需要的管径分别为3.4m、2.9m。

(2)设计参数比较：PCCP管由于本身管节自重较大，一般设计单节长度为6m；玻璃钢夹砂管单节长度可以为12m，接头比PCCP管少一倍，相应可减少渗漏风险。

(3)施工安装及运输比较：PCCP管自重大，运输、安装过程中对施工器具要求高，特别是坡度大于30°的斜坡段，管道的定位、固定和安装施工难度很大；玻璃钢夹砂管重量轻，施工运输简单，对施工器具的要求较低，安装难度小。

(4)经济参数比较：经过实地调研，直管段单米单价PCCP管5700元/m、玻璃钢夹砂管5200元/m，转弯段单米单价PCCP管9600元/m、玻璃钢夹砂管7500元/m，仅从管材价格投资上看，玻璃钢夹砂管投资较低，如计入镇墩、运输费用、安装方便，玻璃钢夹砂管有进一步的优势。

通过比较，玻璃钢夹砂管在管径选择、施工运输安装、工程投资上都较优，因此，初步设计阶段折弓倒虹管管材推荐采用玻璃钢夹砂管。

3 常用管材比较

在折弓倒虹管正式开始施工之前，为进一步了解玻璃钢夹砂管的生产和应用情况，项目业主组织参建各方到玻璃钢夹砂管生产厂家、部分已建工程进行考察。经过考察发现，玻璃钢夹砂管主要存在以下特点：

一是具有耐腐蚀性强，质量轻，安装方便等优点，多用于城市污水管道和低水头水利工程输水；

二是发生碰撞易损毁、难维修，制作运输安装过程中易产生暗伤、对施工要求苛刻，受外压易变形，变形易致接头漏水；

三是大口径(≥2.5m)、高水头(≥50m)在水利工程的应用在国内实例较少，生产厂家均缺乏大口径、高水头管材生产业绩；

四是在运行过程中容易出现管道不均匀沉降、承插口变形等问题。

另外，玻璃钢夹砂管还存在承受外压能力弱，不适宜跨河跨路埋设，地质条件要求高、抗不均匀沉降能力弱的特点。

3.1 方案拟定

在折弓倒虹管正式施工前，上下游隧洞已经进行开挖。因此，本次方案拟定在水头损失与原方案基本相当的原则下进行。

经水力学计算可知，双管玻璃钢夹砂管仍需要2.3m直径，加之最大水头为75m，生产厂家无成熟生产和安装经验，故排除选用玻璃钢夹砂管方案；球墨铸铁管达到直径2.6m，厂家无成熟的生产经验，故排除球墨铸铁管单管直径3.4m方案；钢管造价较高，双管钢管方案比双管PCCP管方案(直径均为2.4m)贵，故排除钢管双管直径2.4m方案。由此，本次拟定了如下4种方案进行同精度详细比选：PCCP管单管直径3.4m方案、PCCP管双管直径2.4m方案、球墨铸铁管双管直径2.4m方案、钢管单管直径3.4m方案。

3.2 结构设计比较

3.2.1 水力学条件比较

按照设计流量初步确定管径、根数，管内流速应根据允许的水头损失值和管内不淤允许流速值选取，管内最小流速应满足通过最小流量时管内流速应大于压力管的挟沙流速的原则确定。为保证后续渠道水面衔接，本次拟定方案水头损失计算原则为不超过原计算水头损失1.41m，同时设计流速尽量控制在1.5m/s～2.5m/s的经济流速范围内。PCCP管糙率采用npccp=0.012，球墨铸铁管管道糙率采用n球=0.011，钢管糙率采用n钢=0.012。

各方案水力学计算成果如表2。

表2 各方案水力学计算成果

由上表可知，拟定比选方案满足水头损失要求，方案拟定合理。

3.2.2 进、出口闸室抗滑及稳定应力条件比较

拟定的比选方案中，涉及双管2.4m、单管3.4m，因此不同方案对进出口结构有一定的影响，应对进出口闸室抗滑稳定及基底应力进行比较计算。计算结果如表3、表4。

表3 单管3.4m方案抗滑稳定及基底应力计算成果

表4 双管2.4m方案抗滑稳定及基底应力计算成果

经计算，各方案抗滑稳定及基底应力均满足要求，不成为管材比选的制约因素。

3.2.3 主要管材技术参数比较

PCCP管、球墨铸铁管及钢管均为《灌溉与排水建筑物设计规范》(SL 482-2011)推荐使用的可用于工程输水的常用管材，三种管材在水利工程上也均有较为成功的应用实例。主要技术参数对比如表5。

表5 管材主要技术参数比较

经比较，各管材方案优劣与前述一致。

3.2.4 主要工程量比较

结合工程布置，各方案主要工程量比较如表6。

表6 各方案主要工程量比较

3.3 施工条件比较

PCCP管相对钢管、玻璃钢夹砂管、球墨铸铁管单节管材重量大，运输、安装过程中对施工器具要求高，特别是坡度大于30°的斜坡段，管道的定位、固定和安装施工难度很大；钢管、玻璃钢夹砂管及球墨铸铁管重量轻，施工运输简单，对施工器具的要求较低，施工措施费较省。考虑到球墨铸铁管结构厚实，施工较为简单，因此，从施工方案来说，球墨铸铁管方案最优。

3.4 工程投资比较

结合各方案结构设计、施工临时工程、金属结构及安装工程等工程量，各方案工程投资比较如表7。

表7 各方案主要工程投资比较

从上表投资比较可知：PCCP管单管直径3.4m方案投资相对最少，PCCP管双管直径2.4m方案投资居中，球墨铸铁管双管直径2.4m方案投资相对最多，钢管单管直径3.4m方案投资居中。

3.5 比选结论

综上所述，各方案在技术上均可行，方案一投资最少，但管节最重，重达36t，管道直径3.4m，长度5m，为超高超宽件，运输困难，在陡坡段安装时由于管道重量较大且管径较大，吊运安装就位困难，控制轴线高程及角度困难，导致安装过程中极易出现偏移超允许值的情况；方案三增加投资最多，但施工较方便；方案二与方案四增加投资居中。其中方案四钢管管节较轻，陡坡段施工难度较小，而且钢管强度高，韧性好，可以承受较高内压，永久运行安全可靠性较高。同时方案四较方案一投资增加不多，但是钢管更加安全可靠。因此，经综合比较后，折弓倒虹管最终采用钢管单管直径3.4m方案。

4 意见和建议

在大中型引调水工程中，管材的选择对倒虹吸管工程起着举足轻重的作用，部分甚至影响了工程的整体布置和建设的可行性。因此在选择管材的过程中，建议结合工程实际，从可靠性、经济性、适用性等方面全面比较。与一般土木工程不同的是，管材本身的性能、厂家的生产能力，也会影响管材的选择。因此，建议在具体管材选用时，结合经济发展现状，结合厂家的生产安装能力，合理选择适用的管材。

在低水头、小管径的管道中，几乎不存在制约管材选择的因素，应重点从运输距离、产品价格上做比选；在高水头、大管径的管道中，管道本身的材料力学性能、使用寿命、水力学条件、厂家的生产能力、安装难易程度，将会是主要制约因素，经济因素次之。