湛江市鉴江供水工程海底输水管道施工设计

张 华

（广东水电二局股份有限公司,广东 广州 511300）

供水枢纽工程是指为了解决城市或地区的供水需求而建设的一系列水利设施和工程,其通常由水源工程、水质处理工程、供水工程和分水工程等组成。其中,供水工程是指将处理好的水从水源地输送到城市或地区的设施,供水工程主要包括输水管道、泵站和调压设备等,在输水过程中,需要考虑水压、水流量和输送距离等因素,以确保供水的稳定和高效[1]。供水工程对一个城市或地区的发展和居民的生活质量有着重要影响,通过供水工程,可以为工业、商业和农业等各个领域提供充足的水资源,从而促进经济的发展和增长；还能够为居民提供安全可靠的饮用水,保障居民有足够的优质饮用水,从而提升居民的生活质量。在供水工程中,输水管道设计尤为关键,输水管道的建设可以提高供水工程的可靠性和稳定性。

1 海底输水管道施工方案研究

1.1 工程概况

湛江市鉴江供水枢纽工程由鉴江泵站提水加压,以双沉管方式直线穿过南三出海口,穿越南三岛后采用盾构方式穿过湛江湾出海口至东海岛的蕃昌村前,将鉴江水输入湛江钢铁基地的安全水池及红星水库,输水工程的输水管道总长约44 km。本标段管线埋设中心线沿线有虾塘、小丘陵、河道、洼地等,并需跨越南三岛线路长,因此对外交通很不方便。特别是南三岛没有与陆路相连接的桥梁,所有建筑材料等施工物资都需由渡船运输,非常困难。

1.2 供水工程海底输水管设计

为实现供水工程海底输水管道施工,本文对输水管的选择、布置、埋设位置以及管径进行设计。

（1）管材选择：目前国内生产输水管类型较多,本文详细对比不同管材优缺点,从中选取最佳输水管材料。对比分析结果见表1。

表1 不同排水管性能分析

基于表1 中的分析,可以看出PCCP 管的应用效果更好,且这一管线的使用年限较长,对比其他管材,PCCP 管缺点较少,为此,本文在设计输水管线时,采用双管形式,主管材为预应力钢筒混凝土管（PCCP）,局部为钢管或钢管外包砼。

（2）管线布置：为保证供水工程中的管线布局合理,在布置供水管时应尽量沿着山梁布置,尽可能保障线路最短；同时优先采用重力输水,充分考虑供水工程的后期规划,在布置管线时结合当地地形条件,降低布线开销[2]。

（3）管道埋设：采用沟埋式安装法（局部采用钢管架空安装）,开挖边坡为1∶2～1∶2.5,沿线为小丘陵等较平缓地势。地基多为粉细砂、细砂、中粗砂等天然基础,承载力较高,沿线尚未发现特大特殊工程地质问题。

（4）管径设计：在设计管径时应充分考虑水头损失、流速以及流量等因素,并采用公式（1）计算管径：

式中：D 为输水管直径；Q 为输水管设计流量；v 为管道内流速。

1.3 输水管道防腐设计

当完成供水工程海底输水管设计后,需要设计有效的防腐方案,才能够提高输水管道质量,从而延长管道使用寿命。防腐设计分为两种,一种为内防腐设计,另一种为外防腐设计。

（1）输水管道外壁防腐设计：通常情况下,供水工程海底区域环境会对输水管产生较大腐蚀性,因此需采用有效的防腐手段,对供水管道外壁进行防腐处理[3]。先对钢管外壁表面进行喷砂除锈,之后采用底漆、面漆以及玻璃布材料组成管道外壁防腐层,其中面漆厚度大于0.6 mm,通过防腐层,保证钢管外壁的防腐性能。

（2）输水管道内防腐设计：采用水泥砂浆衬里方式实现输水管道内防腐,这一技术具有较强的适用性。通过砂浆衬贴在管道内壁上,构成8 mm～18 mm 的附着层,从而隔离钢管与输送介质,这一防腐方式可以降低工程开销,还能够避免水体污染,避免管道受到输送介质的影响,因此可以有效实现管道内壁防腐。

（3）电化学防腐设计：由于供水工程海底区域的供水管存在电化学腐蚀,因此考虑电化学腐蚀特性,本文采用牺牲阳极保护方案,通过铝—锌—铟合金牺牲阳极涂层,对每一供水管进行保护。结合法拉第定律,在应用牺牲阳极保护方式时,输水管的使用年限可通过式（2）计算：

式中：W 为输水管牺牲阳极的重量；T 为保护年限；阳极发生时的电流为I；η表示阳极电流效率；F 为阳极理论发电量。

1.4 输水管空气阀与控制阀设计

在输水管的合理位置上布置空气阀与控制阀,可以有效增强管线运行的安全性,为此,本文在输水管上配备空气阀与控制阀。

（1）空气阀设计：本文采用复合式空气阀作为施工材料,由于供水工程输水主管线约29.3 km、分管线约14.6 km,因此无法在中间配备排气阀,仅能够在两端登陆点进行装置,同时,由于海域段管道集气,可能会因袭管道漂浮问题,所以在管道敷设过程中,需保证排水管内空气排净,之后在两端登陆点装置双复合式排气阀,具体规格为DN150,通过这一排气阀,起到同时排气作用。

（2）控制阀设计：为保证供水工程为沿途配水点均衡供水,需在加压泵站的进水口装置一个控制阀,从而控制出水口压力。先将控制阀前端管道水头抬高,避免管线高点出现半管流状态,以免破坏管道,之后采用DN800 活塞式控制阀,将其布置在加压泵站的进水管道上,保证管道沿途供水点压力得到控制,从而提升供水管安全性。

1.5 调节池设计

调节池可以储存一定量的供水,作为供水工程的储备水源。同时,调节池还可以通过控制进出水口的阀门开度,调节供水工程中的水压,因此,通过调节池可以有效保持输水管网的稳定运行还能够减少水锤现象。为此,本文为输水管网工程设置调节池,从而调节管道系统中水流量和压力。将调节池节点设置在沿管线最高峰段末端,在布置过程中,需保证调节池的通气管具有足够的补气能力,还需要保证调节池蓄水容积量够大。同时,为保证调节池为无压水池,需在调节池上布置φ250 的通气管,通气管进气口可设置在隐蔽位置。

1.6 输水管施工方式设计

在设计输水管施工方案之前,需提前布置管道周围镇墩与挡桩等设施：

（1）镇墩设计：为增强输水管稳定性,并提高其抗浮性能,在管道每间隔10 m 位置放置一沙袋镇墩,设计镇墩长为2 m。

（2）挡桩设计：在输水管两侧接近登陆段区域布置挡桩,采用钢制挡桩间距在50 m 左右,共布置三排,通过挡桩增强管道稳固性。

当完成输水管道周围固定设施设计后,即可开始管道挖沟施工,本文采用后挖法进行施工处理：先通过敷管船将管道布置在海床上,之后通过冲吸式水力挖沟机,采用高压冲水方式,将管道周围砂土冲至沟槽两侧,使管道固定于沟槽中,可根据冲刷深度合理调整埋深。具体输水管施工方案见图1。

通过图1 步骤实现输水管施工,当施工完成后,需对管道进行整理与防护。

（1）输水管检查：当输水管沉入海底后,需要对管线安全性进行查验,通过潜水人员检查输水管线路,若管线周围存在砾石,则需要立即清理,若无法移动砾石,则需采用混泥土垫平。

（2）管道压力检查：当施工完成后,在排水管首端装置压力表,并关闭出水阀,分析在24 h 内压力是否存在变化,从而验证管道是否存在漏水问题。

2 实验分析

为分析本文设计输水管施工方案的有效性,对该施工方案进行仿真分析,通过仿真软件模拟施工步骤,分析施工结束后该方案的应用效果。

分析泵站不同机组开机后的水头损失等指标变化情况,分析结果见表2。

表2 开机后水头损失与流量变化分析

根据表2 可知,当开机机组数量增加后,输水管总流量也得到了提升,同时水泵效率也逐渐加大,在本文设计的施工方案下,输水管总流量处于较高水平,可以高效率完成排水任务,同时,该施工方案所产生的水头损失较低,当4 台机组开机时,水头损失仅为8.211 m,因此本文设计的施工方案可以有效降低供水工程的经济损失。

模拟地震荷载对输水管的影响,设地震加速度为0.1g,地震周期为0.5 s,分析在地震作用下输水管的横向与轴向应力,从而验证该施工方案在地震环境下产生的变化,分析结果见图2。

图2 地震荷载对输水管的影响

根据图2 可知,在地震变形动力作用下,输水管道的轴向与横向应力均呈现波动状态,但横向、竖向应力并不高,说明地震作用对管道产生的附加作用力相对较小,其中,横向应力明显处于极小水平,由此可以看出,在地震作用下,本文设计的输水管道不会受到严重影响,因此具有较强的稳定性,当受到外围环境影响时,依然可以保持良好的安全效果。

3 结论

针对湛江市鉴江供水枢纽工程,设计供水工程海底输水管道施工方案,通过输水管道设计,提高管道的耐腐蚀性,并优化管道质量；同时针对这一输水管施工结果进行仿真实验分析,模拟验证输水管在供水时的应用效果,获取该施工方案的应用价值。未来可以现有研究成果为基础,继续对输水管建设方案进行优化,提高设计能力,从而设计出经济效益更高的供水工程输水管施工方案。