长距离城镇供水工程中输水管材的综合比选

王志鹏

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 工程概况

为解决连山县城、福堂镇约5.68万城镇居民的生活用水供需矛盾，保障社会经济可持续发展，维护少数民族地区社会和谐稳定，保护辖区内居民饮水安全，提高人民生活水平，决定建设德建水库供水工程。本工程从德建水库铺设输水管道至县城石龙嘴水厂，线路总长为11.4 km，其中TBM隧洞长度约7.6 km，埋管长度约3.8 km。

本工程的输水管线有两处跨河和一处跨村庄道路。跨河处考虑到河底高程较浅，河道河床地质条件不稳定；跨村庄道路处考虑到采用顶管技术需要建造工作井和接收井，工作面较大，单位长度分摊投资大。综合考虑管线跨河和跨村庄道路处采用埋钢管(SP)外包混凝土，并对地基基础加固处理。

2 管线布置方案

工程起点为德建水库预留输水管末端，向西沿盘石水埋管至S263省道后向北跨过盘石水，沿着S263省道埋管至042乡道与S263省道相接处山坡脚下入洞口，隧洞线路沿着北偏东40°方向穿过龙水河，从龙水河位置转弯后直线布置至二广高速与766乡道交汇附近山脚出洞口，出隧洞后采用埋管穿越高楼水，然后再顺766乡道埋管至石龙嘴水厂。该方案中隧洞全长7.6 km，无布置施工支洞条件，适合采用TBM法施工。埋管段工况复杂多变，对输水管材的性能要求更加严苛、多样，因此，需要合理布置管线、因地制宜筛选管材、分段布置埋管长度，最终实现安全供水、稳定供水、可持续供水[1]。

3 管道种类及特性

输水管材的选择是否正确不仅关系到工程投资，还影响着供水的安全与可持续性，因此在设计阶段必须对输水管材严格筛选。根据工程经验及市场供需关系，并结合本工程特点，初步选择三种管材进行方案比选：钢管、预应力钢筒混凝土管及球墨铸铁管。

3.1 钢管(SP)

钢管是最常见的输水管材，具有悠久的应用历史，也是水利工程中应用最广泛的管材，在实际工程中发挥着至关重要的作用。钢管具有以下优点：可设计性强，因钢管环向强度、弹性模量较高，根据承受的内水压力和管顶外荷条件，对钢管的刚度、强度和稳定进行计算，以确定管径和管壁厚度；管道内、外壁易做除锈和防腐处理，可有效延长其使用寿命；能适应各种地质条件，一般情况下不需做管道地基处理，适用性强；接口采用焊接，在焊接质量达到规范要求情况下，便不会发生渗漏；管道配件可根据实际需要进行设计和制作，拓展性强；在过往长距离供水工程中，钢管是被最广泛采用的输水管材，具有丰富的施工经验和完备的施工方案。

3.2 球墨铸铁管(DIP)

球墨铸铁管是传统铸铁管的一种，通过添加特定的化学物质使其中碳元素以球状游离石墨存在，从而使其机械性能得到较好的改善。球墨铸铁管防腐性能优异、延展性能好，密封效果好，安装简易；主要用于市政、工矿企业给水、输气，输油等工程。其主要特点有：具有较高的承压能力，管顶以上覆土可达到3 m～4 m；具有良好的防腐性能，一般内防腐采用水泥砂浆衬里，外防腐采用喷锌和煤沥青防腐漆；防渗性能高，管口衔接处可采用橡胶圈止水，密封性好；管口衔接处可采用接头，适应地基变形能力强，抗震性能高。

球墨铸铁管的缺点同样值得我们关注：球墨铸铁管管身较为笨重，安装时必须启用机械，后期检修同样需要在机械辅助下完成；此外，本工程管线多布置于道路崎岖狭窄的山区，不便于沉重管材的运输。预应力钢筒混凝土管同样具有管身沉重、后期检修困难等缺陷，在此不再赘述。

3.3 预应力钢筒混凝土管(PCCP)

预应力钢筒混凝土管是一种由钢板、预应力钢丝、水泥砂浆保护层和混凝土等四种材料经过一系列技术加工而成的新型复合管材。预应力钢筒混凝土管质量可靠、可塑性强，能有效保障输水管线的安全运行，但具有管身沉重、后期检修困难等缺陷。根据国家发改委、科技部、水利部等专家推荐，预应力钢筒混凝土管优先应用于DN>1200 mm的输水工程。本工程主输水管DN800 mm，应优先考虑钢管和球墨铸铁管，故再次不再赘述预应力钢筒混凝土管特性。

3.4 管材投资对比

连山县德建水库供水工程最大设计流量为0.5 m3/s，埋管段长度3.8 km(除去隧洞7.6 km)，采用单管的输水方案，在现有水头条件下尽量选择管径最小的管材，通过水力计算，拟定管径为DN800。表1为三种管材综合管材费用对比。

表1 综合管材费用对比表

对比表1数据可知，单位长度DN800球墨铸铁管的投资比预应力钢筒混凝土管低14.7%，球墨铸铁管具有良好的可挠性和伸缩性，能吸收因地基沉降而产生的压力，避免管道破裂，还具有寿命长、安装简单快捷等优点。因此结合管材的经济性和耐久性等特点，从节约工程投资的角度，拟定球墨铸铁管为本工程首选管材[2]。单位长度DN800钢管综合管材费用远高于其他两种管材，但由于跨河和跨村庄道路段等特殊工况段必须采用高强度、耐腐蚀的钢管，因此盘石水左岸、跨河、普通公路下埋管采用钢管外包混凝土[3]。

4 管材综合比选

本工程输水管线有两处跨河段，桩号分别为0+681～0+810、10+527～10+554。根据现场查勘得知，穿越河道处水流流速较缓，水量较小，河床深槽较浅，故采用埋管方案，具有工程投资较节省、施工难度较小、工程实施风险相对较小、施工设备要求较低等优点。穿河道埋管结构采用钢管外包砼形式，外包砼厚度为300 mm，管顶最小埋深为2.0 m，同时管顶上方采用1000 mm厚抛石回填。开挖边坡为1∶2.5，管底换填碎石厚800 mm。钢管跨河埋管断面图见图1。

图1 钢管跨河埋管断面图

本工程输水管线有一段沿公路布置，且村庄紧挨着公路，无法进行大面积开挖，其桩号为1+723～2+054。根据现场查勘得知，此处具有埋管施工的条件，同时考虑到征地工作开展难度大，因此优化埋管施工开挖方式，尽量减少临时用地面积[4]。拟采用钢板桩垂直支护的开挖方式，并采用抛石对底部淤质黏土进行挤淤处理。钢管穿道路埋管断面图见图2。

图2 钢管穿道路埋管断面图

本工程输水管线有一段位于高速公路桥底，桩号为2+231～2+308。为保障桥墩基础的稳定性，减少断面开挖对高速公路桥的影响，拟采用钢板桩垂直支护的开挖方式，尽量减少开挖断面。同时考虑到桥体震动对管体稳定性的影响，故选用力学性能更佳的钢管，外包混凝土厚度为300 mm，基础为天然地基。

除上述几种特殊工况外，本工程内其他段输水管线可视为普通段管线，本着节省投资的原则，选用DN800球墨铸铁管并外包300 mm C25混凝土，必要时对基础进行换填碎石或抛石挤淤处理。图3为正在施工中的球墨铸铁管[5]。

图3 埋管施工现场

5 结语

长距离城镇供水工程中，输水管材的质量与投资是影响工程质量至关重要的因素之一。钢管虽然成本较高，但因其强度高、稳定性好、耐腐蚀性强等优点，成为供水工程中应用最广泛的输水管材，常应用于穿路埋管、 跨河埋管以及埋管沉管等特殊工况。球墨铸铁管成本较低、稳定性好，适用于大多数一般工况，与钢管等其他管材配合使用便可体现其最大的经济价值，是供水工程中不可或缺的输水管材。在长距离城镇供水工程设计过程中，通过对输水管材的对比与分析，并结合已知工况条件，我们能探索出更科学、更经济的管材比选方案，为供水工程可持续发展打下坚实的基础。