萨呼腾水库输水管道选型设计

石盼盼，赵 彪

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

1 工程概况

萨呼腾水库位于青海省杂多县境内的吉乃沟处,为一注入式水库,建设任务主要为杂多县萨呼腾镇4.85 万人生活用水,同时为杂多县周边8000亩林地提供灌溉水源,水库总库容207万m3,为IV等小（1）型工程。输水管线沿现吉乃沟向北至水库,全段长6.1 km,设计流量0.4 m3/s,跨越河流4处,管道全段采用明挖施工。本工程为重力承压的输水方式,管线长6.1 km,管材的选择对工程投资有较大影响。

2 地形地质条件

输水管线上游段位于吉乃沟侵蚀堆积河谷平原区,地势较平坦；中游段位于吉乃沟下游左岸山前斜坡带,地势由西南向东北倾斜,斜坡带坡度一般15°～25°；下游段段位于吉乃沟下游左岸沟谷台地,地势平坦开阔,由南向东北微倾斜,地面纵坡降20‰～30‰。

拟建输水线路地基土自上而下分别是①层第四系全新统残坡积（Q4

el+dl）碎石、②层第四系全新统坡洪积（Q4al+pl）含砾粉质黏土、③层第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）碎石、④第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）砾石。

3 管径计算

输水管径根据设计输水能力按经济流速进行初步计算。

式中：D为输水管道管径,m；Q为输水管道设计流量,m3/s；v为输水管道流速,m/s。

参照《村镇供水工程技术规范》（SL 310-2019）7.5.3条,输配水管道的设计流速宜采用经济流速,不宜大于2.0 m/s,输送原水管道的设计流速不宜小于0.6 m/s。根据表1管径计算成果,DN700、DN600、DN500管道设计流速为0.99 m/s～1.93 m/s,满足规范要求。DN700、DN600、DN500剩余水头分别达151.87 m、142.19 m、112.65 m,输水管道工作压力过大,造成管道本身承压能力要求高,末端接入水库需考虑消能措施。从经济角度看,DN500 管道流速控制在2 m/s以内,管径相对最小,为此初选管径为DN500。

表1 管径计算表

4 管道压力计算

管道允许压力按照下式计算：

式中：PFA为允许工作压力,MPa；PMA为最大允许工作压力,包括冲击压,MPa；emin为最小壁厚,emin=e-（1.3+0.001×DN）=7.2 mm；σb为最小抗拉强度；D为管道平均直径（DE-emin）,DE为管道公称外径,mm；SF为安全系数,取3。经计算,管道允许工作压力PFA为3.84 MPa。

4 管材比选

4.1 各种管材综述

本工程地震设防烈度为Ⅶ度,管材拟选择延性较好或具有抗震性能较好的柔性接口的管材,并能保证良好的输水能力,材质无毒,安装方便,维修简单,耐磨蚀,使用年限长,造价相对便宜。参考国内大型长距离输水工程大都在涂塑复合钢管（SP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP管）、球墨铸铁管（DIP）与玻璃钢管（FRP）、钢骨架聚乙烯复合塑料管中选择。

4.1.1 涂塑复合钢管（SP）

涂塑复合钢管（SP）是以钢管为基管,以塑料粉末为涂层材料,在其内表面熔融涂敷上一层塑料层、在其外表熔融涂敷上一层塑料或其他材料防腐层的钢塑复合产品。

涂塑复合钢管克服了钢管本身存在的易生锈、腐蚀、高污染、及塑料管强度低、易变形的缺陷,整合了钢管和塑料产品的共同优点。涂塑管是在钢管内壁融溶一层厚度为 0.5mm～ 1.0mm 的聚乙烯（PE ）树脂、乙烯-丙烯酸共聚物（EAA）、环氧（EP）粉末、无毒聚丙烯（ PP ）或无毒聚氯乙烯（PVC）等有机物而构成的钢塑复合型管材,它不但具有钢管的高强度、易连接、耐水流冲击等优点,还克服了钢管遇水易腐蚀、污染、结垢及塑料管强度不高、消防性能差等缺点,设计寿命可达50 年。主要缺点是安装时不得进行弯曲,热加工和电焊切割等作业时,切割面应用生产厂家配有的无毒常温固化胶涂刷。

4.1.2 球墨铸铁管（DIP）

球墨铸铁管是一种在普通钢管与灰口铸铁管基础上通过升级换代的新产品,具有诸多灰铁管与焊接钢管不及的优点。球墨铸铁管具有较高承压能力、耐腐蚀、韧性好、抗震性能好的特点；施工费用低,安装速度快,球墨铸铁管安装工时大约20 min～30 min,能较好的满足工期的要求；具有良好的防腐性能,使用年限高于50 年；具有良好的挠性和伸缩性,接口为柔性接口,可适应不同地基敷设安装,能适应因地基沉降而产生的压力,避免管道破裂；密封性好,按照《球墨铸铁管施工安装规范》安装完毕后,管道一次试压成功率100%；球墨铸铁管机械性能好,防腐外喷锌、涂沥青,对回填土无特殊要求,可使用原土回填。球墨铸铁管采用承插式柔性接口,胶圈密封的连接方式,比钢管现场焊接施工方便可靠。

4.1.3 玻璃钢管（FRP）

玻璃钢管的优点是质量轻、强度高、承受内外荷载能力强,具有良好的抗腐蚀能力,管材和管件加工方便,造价较低；运输、铺设、安装、试压方便,施工速度快,但玻璃钢管刚性较差,受力不均匀时易变形,密封性较差；易受岩土地基中的硬物破坏,耐久性差；特别是大口径管施工难度大,施工要求的技术性强,使用后的效果不太理想。

4.1.4 钢骨架聚乙烯复合塑料管

钢骨架聚乙烯复合塑料管是以高强度钢丝连续缠绕成型的芯层为增强骨架,用符合输送介质要求的聚乙烯专用材料均挤出而形成整体管壁的复合结构壁管材。属于钢骨架聚乙烯复合管管材系列的一个品种。优点是耐腐蚀性好,埋地施工无需内外防腐；密封性良好,采用电热熔连接,管材与管件溶为一体,接头较为可靠；无毒,安全卫生；属于柔性管材,对地基的适应性较好；耐磨,耐久性等指标均较高。抗内压能力较好,目前使用内压控制在1.6 MPa以内,抗外压能力相对较弱,管顶覆土应控制在3 m以内。

4.2 管材比选

4.2.1 地质条件分析

管线起始为邻近吉乃沟的汇水池处,至下游水库处,沿现有道路铺设,地下水位较高；沿线地下水对混凝土结构均具弱腐蚀性,对混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性,对钢结构具弱腐蚀性。同时,沿线地基土对混凝土具微腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。

工程区地质条件、土层地下水腐蚀性微、弱,对管材选择没有制约性。

4.2.2 耐久性及水力条件

本次设计地埋管道要求设计合理使用年限不小于50 年,经了解,涂塑复合钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管、钢骨架聚乙烯复合塑料管均能满足50 年使用年限要求。

对于其过水能力,涂塑复合钢管海曾-威廉系数Ch为140～150,玻璃钢管、钢骨架聚乙烯复合塑料管海曾-威廉系数Ch为140～150,水泥砂浆内衬的球墨铸铁管海曾-威廉系数Ch为120～130。为此,相同的设计流量条件下,玻璃钢管和钢骨架PE管过流能力最强,钢管次之,球墨铸铁管较低。

经初步水力计算,考虑充分利用水头压力,管道末端留少量自由水头,尽可能选择与最大水头损失相当的海曾-威廉系数Ch及管径组合。通过分析得出,本工程应选择海曾-威廉系数Ch大于110、管径为DN500的输水管作为该工程管材选取的控制性参数,以上管材均符合水力计算要求。

4.2.3 抗渗性及地基变形适应性

涂塑复合钢管接口采用焊接方式, 钢骨架PE管采用电熔连接,而球墨铸铁管、玻璃钢管采用柔性橡胶垫圈承插口方式连接,接口橡胶垫圈耐久性将直接影响接口防渗性能,且接口数量较多,存在更多渗漏的可能性。

球墨铸铁管、玻璃钢管和钢骨架PE管由于接口型式和管材性能,一般适应地基变形能力较强。而钢管为刚性接口,其适应地基变形能力较差,会存在局部架空可能。

4.2.4 防腐措施

涂塑复合钢管采用PE进行热浸塑或EP进行内外涂覆,具有优良的耐腐蚀性能。钢骨架PE管主要依靠管道内外层的聚乙烯等化学材料进行防腐；玻璃钢管主要以玻璃纤维以及高分子成分的不饱和聚酯树脂、环氧树脂等材料制成,这两种管材充分利用材料的化学稳定性进行内外防腐,故不必新增防腐设计。铸铁管由于分节安装,每节间设有柔性橡胶垫圈,可以有效阻断电化学腐蚀。

4.2.5 运输及施工

钢骨架PE管及玻璃钢管管材重量轻,运输较为方便。涂塑复合钢管、球墨铸铁管相对管材较重,运输难度一般。

涂塑复合钢管的管配件可工厂生产或现场制作,接口采用就地焊接,不需做管道基础处理,但管道的接口施工受天气和地理环境的制约,施工时管道需剖口、焊接等费时耗序。球墨铸铁管、玻璃钢管配件需工厂定做,由于其为承插接口,管道安装方便,球墨铸铁管重量适中,施工进度可大大加快；钢骨架PE管由于其为热熔接口,管道安装方便,施工进度可大大加快。

4.2.6 管材价格

根据初拟的水力计算,输水管管径为DN500,地埋铺设。对涂塑复合钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）、玻璃钢管（FRP）与钢骨架聚乙烯复合塑料管分别进行了市场询价调查,价格比较见表2。

表2 管材方案直接投资分析表 单位：元/m

4.2.7 综合比较

管材综合性能比较见表3。

表3 管材综合性能比较表

从管材造价、运输条件、施工难度、防腐、维护、接口及可靠性等综合分析比较,各种管材各有优缺点。工程区位于海拔4000 m以上区域,最大冻土深度达2.02 m,设计管顶敷土埋深不小于2.5 m,部分区域埋深可达3 m以上。根据管道埋设深度限制,仅涂塑钢管、和球墨铸铁管满足埋设深度要求。

涂塑钢管不仅具有与钢管相同的问题,其焊口及焊口防腐需要在现场进行,受天气影响较大,质量不好控制。相比较而言球墨铸铁管在防腐、耐压、适应地基变形和快速施工等方面性能良好。综合考虑本工程输水管线选用球墨铸铁管。

5 结语

本文通过涂塑复合钢管（SP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP管）、球墨铸铁管（DIP）与玻璃钢管（FRP）、钢骨架聚乙烯复合塑料管的对比分析,最终选择了适用本工程的球墨铸铁管,以期为业界提供参考。