舊院水庫(kù)供水工程管材比選和水力設(shè)計(jì)

摘 要：舊院水庫(kù)工程為貴州省水利生態(tài)建設(shè)石漠化治理“三位一體”綜合規(guī)劃建設(shè)的骨干水源工程之一，工程任務(wù)為農(nóng)田灌溉、工業(yè)供水兼農(nóng)村人畜飲水。文章以貴州省六枝特區(qū)舊院水庫(kù)工程為例，對(duì)水利工程中常用輸水管材焊接鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力混凝土管（PCCP）、玻璃夾砂管（GRP）進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，介紹了玻璃夾砂管水力學(xué)計(jì)算過程，提出玻璃夾砂管在舊院水庫(kù)供水工程中是一種適用性較強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)合理的管材。

關(guān)鍵詞：貴州?。徊ＡA砂管（GRP）；比選；設(shè)計(jì)

1 工程概況

六枝特區(qū)舊院水庫(kù)位于六盤水市東部，距省會(huì)貴陽(yáng)市174km，工程主要任務(wù)為灌溉新場(chǎng)鄉(xiāng)、巖腳鎮(zhèn)的耕地4.15萬畝，并向六枝特區(qū)中心城區(qū)提供3.40萬m3/d的生活、生產(chǎn)用水。水庫(kù)總庫(kù)容1458萬m3，擋水建筑物為混凝土面板堆石壩，最大壩高41.50m。總干管管首設(shè)計(jì)流量為2.494m3/s，總干管后分左、右輸水干管，左干管農(nóng)田灌溉輸水，右干管農(nóng)田灌溉兼城市供水，右、右干管總長(zhǎng)20.7km。

2 常用的輸水管材

2.1 焊接鋼管

焊接鋼管通常選用Q235-C（A3）鎮(zhèn)靜鋼鋼板制作，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，管材及管件易加工，可現(xiàn)場(chǎng)卷板加工，管廠建設(shè)周期短，特別是地形復(fù)雜的地段，可根據(jù)地形的起伏制作相應(yīng)的連接件，使用靈活。但鋼管的剛度小，易變形，襯里及外防腐要求嚴(yán)，必要時(shí)需作陰極保護(hù)，施工過程中組合焊接工作量大，焊縫探傷工作量大，與其它壓力管相比，施工造價(jià)較高。

2.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管已大量使用在城市供水管網(wǎng)中。其優(yōu)點(diǎn)是延伸率、剛度、抗拉強(qiáng)度均較大，承受土壤靜荷載及地面動(dòng)荷載的能力通常比其它管材強(qiáng)，襯里和管壁外表面不需另作防腐，采用承插式接口，組裝工藝成熟，可承受內(nèi)水壓力超過2.5MPa以上，使用壽命通常有50～100年，比化學(xué)管材及鋼管使用壽命長(zhǎng)；其缺點(diǎn)是只能提供標(biāo)準(zhǔn)管件，單管重量大，同直徑、同內(nèi)壓?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度管重比鋼管重1.35倍，在野外交通條件不便的情況下二次搬運(yùn)費(fèi)用高，安裝不便。

2.3 預(yù)應(yīng)力混凝土管（PCCP）

PCCP管是我國(guó)于20世紀(jì)90年代初從美國(guó)引進(jìn)的新型管材生產(chǎn)技術(shù)，采用新型復(fù)合材料，其工作原理是：將預(yù)應(yīng)力鋼絲按設(shè)計(jì)拉應(yīng)力和螺距連續(xù)均勻地纏繞在混凝土管芯上，使其處于壓應(yīng)力狀態(tài)，能夠平衡內(nèi)部壓力或外部荷載而不破裂。在2000年以來，PCCP管廣泛用于水利、電力、市政和自來水供水主管項(xiàng)目上，其中南水北調(diào)工程北京段采用了DN4000mm的PCCP管，為國(guó)內(nèi)同類管道最大口徑。其主要優(yōu)點(diǎn)有材料單價(jià)低、采用承插式接口，安裝方便；其缺點(diǎn)主要是PCCP管容易發(fā)生的空鼓問題，尤其是離心成型的管材。該管材的混凝土與水泥砂漿表面的裂縫較難控制，且標(biāo)準(zhǔn)管件重量大，比同管徑、同壓力作用下的鋼管重2.8倍，運(yùn)輸困難，施工難度大。

2.4 玻璃夾砂管（GRP）

玻璃夾砂管又稱玻璃纖維增強(qiáng)樹脂塑料管。大口徑夾砂管在源水引用管道上，國(guó)內(nèi)外使用較多。它重量輕，強(qiáng)度高，抗腐蝕，易安裝，水力性能優(yōu)異，糙率僅0.009，而且管徑越大其優(yōu)勢(shì)越明顯；其缺點(diǎn)為剛度小，管道基礎(chǔ)要求較嚴(yán)，必要時(shí)需作砂墊層，對(duì)回填料和壓實(shí)度有非常嚴(yán)格的要求，玻璃夾砂管破裂維修，通常采用玻璃鋼粘補(bǔ)，它必須在干燥的環(huán)境下作業(yè)，野外工作困難。

3 管材比選

3.1 鋼管和預(yù)應(yīng)力砼管比較

目前使用的預(yù)應(yīng)力砼管公稱壓力在0.2～1.0Mpa，因此僅水頭在1.0Mpa以下考慮預(yù)應(yīng)力砼管，對(duì)于高于1.0Mpa以上水頭的管道，按壓力要求直接采用焊接鋼管。

可以看出雖然預(yù)應(yīng)力砼管比鋼管重，但價(jià)格便宜，綜合下來0.2～1.0Mpa采用預(yù)應(yīng)力砼管比鋼管經(jīng)濟(jì)。

3.2 鋼管和球墨鑄鐵管比較

球墨鑄鐵管和鋼管單價(jià)相當(dāng)，但球墨鑄鐵管施工方便，對(duì)同樣管徑的管道，應(yīng)選擇單位重量較輕的材料，由上表不難看出Φ800mm的管道，球墨鑄鐵管重量較大無優(yōu)勢(shì)，本工程仍選用焊接鋼管。

3.3 鋼管和夾砂管比較

鋼管和夾砂管比較，目前使用的夾砂管公稱壓力在0.6～2.5Mpa，因此兩者都能滿足本工程的要求。

管材比較表

鋼管和夾砂管的壁厚相當(dāng)，采用夾砂管根據(jù)水力計(jì)算管徑只需要700mm，從上表不難看出夾砂管從重量和價(jià)格上要優(yōu)于鋼管，只是存在施工復(fù)雜等因素，綜合考慮下來夾砂管比鋼管要經(jīng)濟(jì)。

3.4 預(yù)應(yīng)力砼管和夾砂管比較

從上表可以看出預(yù)應(yīng)力砼管比夾砂管重，管徑大，目前使用的預(yù)應(yīng)力砼管公稱壓力在0.2～1.0Mpa，在同等公稱壓力下夾砂管比預(yù)應(yīng)力砼管造價(jià)低，綜合考慮下夾砂管比預(yù)應(yīng)力砼管經(jīng)濟(jì)。

綜上所述，從管道壓力要求、經(jīng)濟(jì)性及安全運(yùn)輸條件等綜合考慮，本工程供水管道以?shī)A砂管為主，局部隧洞明管段采用預(yù)應(yīng)力混凝土管。

4 水力設(shè)計(jì)

4.1 管徑計(jì)算

輸水管采用夾砂管和混凝土管，考慮24小時(shí)輸水，管道的直徑根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件結(jié)合運(yùn)用情況來綜合選擇。按管徑計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行初估。4.3 水擊計(jì)算

有壓管道系統(tǒng)中，由于水力控制裝置迅速調(diào)節(jié)流量（如關(guān)閉閥門），管道內(nèi)流速相應(yīng)地急速變化，致使管道內(nèi)水流也相應(yīng)地急劇升高或降低，并在管道內(nèi)傳播，這種現(xiàn)象稱為水擊（或水錘）。在有壓管道系統(tǒng)必須對(duì)水擊進(jìn)行計(jì)算，以保證管道運(yùn)行安全。計(jì)算公式采用《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》中附錄E，計(jì)算結(jié)果為（見表3）。

4.4 減小水擊壓力措施

水錘現(xiàn)象的本質(zhì)主要是管道內(nèi)水流動(dòng)量變化引起的，單位時(shí)間動(dòng)量變化越大，水流產(chǎn)生的沖擊波越大；動(dòng)量變化的實(shí)質(zhì)是流速的改變，而流速的改變?nèi)Q于閘閥關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短，即閘閥關(guān)閉時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)水擊壓力影響非常大。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，閘閥關(guān)閉的時(shí)間對(duì)水擊壓力影響非常明顯，因此延長(zhǎng)閘閥關(guān)閉時(shí)間是行之有效的減小水錘壓力措施；事實(shí)上，當(dāng)關(guān)閉時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，水錘壓力很小甚至可以忽略不計(jì)。本工程閘閥均為手動(dòng)控制，為減小水錘壓力值，充分延長(zhǎng)閘閥關(guān)閉時(shí)間可以做到的。但結(jié)合實(shí)際情況，不可能用很長(zhǎng)時(shí)間來關(guān)閉閥門，本工程將閥門關(guān)閉時(shí)間控制在2分鐘以內(nèi)即可滿足運(yùn)行安全要求。

本工程是采用重力流輸水方式，輸水管道內(nèi)各流速均在3m/s以內(nèi)，依據(jù)中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS193；2005）中第3.25節(jié)中第2條：“重力輸水管道的最大流速不宜大于3m/s。當(dāng)流速大于3m/s時(shí)，應(yīng)經(jīng)過水錘分析計(jì)算設(shè)置減壓想能裝置和其他水錘防護(hù)措施?！币虼耍瑢?duì)于本工程而言，各管道流速均小于3m/s，再延緩閥門關(guān)閉時(shí)間，在管道末端不會(huì)產(chǎn)生過大的水擊，不需要設(shè)置專門的水錘防護(hù)裝置。

在管道的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，依據(jù)既要充分考慮水擊作用確保管道安全運(yùn)行，又要考慮節(jié)約材料，節(jié)省投資。根據(jù)水擊計(jì)算成果，取靜水頭的20%作為水擊升高值考慮是可以滿足安全要求的。

5 結(jié)束語

文章通過舊院水庫(kù)供水工程各種管材技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較及水力學(xué)計(jì)算進(jìn)行了介紹，我們對(duì)舊院水庫(kù)供水工程有了初步了解。由于每個(gè)工程所受工程地形、地質(zhì)條件限制，其具體比選和設(shè)計(jì)會(huì)有所不同。在具體的工程環(huán)境下，應(yīng)結(jié)合具體的情況，合理比較輸水管材、對(duì)管線設(shè)計(jì)進(jìn)行比選，使項(xiàng)目發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：吳春占（1980-），男，工程師，從事水利工程建設(shè)和管理工作。