嚴(yán)寒地區(qū)大型玻璃鋼管道倒虹吸工程關(guān)鍵技術(shù)

路強(qiáng)

摘要：新疆北疆供水工程倒虹吸作為國內(nèi)最大口徑的玻璃鋼管道，技術(shù)問題非常突出，管道對(duì)原材料、鋪層結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場管溝填筑等方面都有極高的要求。對(duì)國內(nèi)外已建部分倒虹吸工程進(jìn)行了介紹，對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)大型玻璃銅管道主要設(shè)計(jì)參數(shù)確定、鋪層設(shè)計(jì)、性能檢測、生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場試驗(yàn)、全過程質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。嚴(yán)寒地區(qū)口徑DN3700玻璃鋼管道上覆土層2.5m，管道剛度為8000N/m^2，接頭剛度≥25000N/m^2，管道最大允許長期垂直撓曲變形為3%較合適。

關(guān)鍵詞：嚴(yán)寒地區(qū)；大型倒虹吸；玻璃鋼管道；鋪層設(shè)計(jì)；生產(chǎn)工藝；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TV672

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.021

1工程概述

新疆北疆供水T程穿越準(zhǔn)噶爾盆地、古爾班通古特沙漠，由輸水明渠及倒虹吸組成，線路全長512km。其中小洼槽倒虹吸跨越沙漠北緣的蘇魯溝小洼槽，溝寬5.32km，溝深46.00m，兩端高差為4.32m，所屬地層為第四系沖洪積砂、砂巖、泥巖層。倒虹吸全長5.77km，其中管線長5.32km，一期工程設(shè)置2根管道，兩端與引水明渠連接，最大靜水壓力為0.46MPa，管道采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（RPM），內(nèi)徑3.1m。供水工程于2005年建成通水，已安全運(yùn)行12a。根據(jù)供水需求的不斷增長，2015年開始實(shí)施擴(kuò)建工程，在原預(yù)留進(jìn)出口位置增設(shè)一條相同管材的管線，內(nèi)徑3.7m，管壓0.65MPa，形成3根管道并行的工程布置格局，總設(shè)計(jì)流量57m^3/s。倒虹吸管道剖面見圖l。工程難點(diǎn)如下：

（1）綜合難度大。按綜合難度系數(shù)（綜合難度系數(shù)=水頭壓力×管徑×管長）統(tǒng)計(jì)，該倒虹吸擴(kuò)建T程是迄今為止國內(nèi)綜合難度較高、管徑最大的玻璃鋼管道工程。超長、大管徑等工程特性對(duì)倒虹吸管道的制作、安裝、埋設(shè)、運(yùn)行管理提出了極高的要求，特別是管道鋪層設(shè)計(jì)及管道安裝回填等必須確保大口徑玻璃鋼管道在該倒虹吸工程中安全可靠。

（2）流量變幅大。每年渠道恢復(fù)輸水前，需采用小流量（1m^3/s）緩慢充水。輸水流量為5～57m^3/s，流量變幅大、進(jìn)出口水位落差大等水力學(xué)特性對(duì)管道充水、運(yùn)行、放空等各階段的水力安全控制技術(shù)要求高、難度大，特別需解決好高水頭下的消能放空和水錘防護(hù)問題。

（3）環(huán)境氣候條件惡劣。工程區(qū)地處北緯45°以上的嚴(yán)寒地區(qū)，冬季寒冷漫長，夏季炎熱干燥，春秋季寒潮頻襲，大風(fēng)天氣多，冬季最低氣溫-41.7℃，夏季最高溫度40.6℃，晝夜溫差為20℃左右，年際溫差高達(dá)82℃。特別是管基地質(zhì)條件較差，部分為膨脹泥巖和沖洪積砂，對(duì)管道的變形適應(yīng)能力提出了極高的要求。

2國內(nèi)外已建大型倒虹吸工程類比

近幾十年來，我國先后建設(shè)了一批大型倒虹吸工程（見表1）。早期代表性工程有武山北梁渠、大圳灌區(qū)新安鋪、窄口灌區(qū)焦村倒虹吸工程等。從發(fā)展趨勢看，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)水資源的需求和區(qū)域水資源優(yōu)化配置的需要，一批跨流域調(diào)水工程陸續(xù)興建，如南水北調(diào)、掌鳩河引水、引黃入晉工程等，倒虹吸逐步向高水頭、長距離和大管徑發(fā)展。從材料結(jié)構(gòu)看，早期的倒虹吸工程多用混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土材料，隨著材料技術(shù)的發(fā)展，鋼管、PCCP管、玻璃鋼管等新型管材逐漸運(yùn)用于大管徑的輸水工程，尤其是PCCP和玻璃鋼管，其造價(jià)比鋼管低，工廠化成批生產(chǎn)，安裝方便。近年來纖維纏繞玻璃鋼夾砂管道特別是大口徑地下管道的應(yīng)用與日俱增，目前已在大型倒虹吸工程和城市供水工程中得到普遍應(yīng)用。

倒虹吸工程在國外引調(diào)水工程中應(yīng)用更早、更普遍。如：以色列的北水南調(diào)工程建成于1964年，有兩條倒虹吸，一條跨越深150 m凹槽，另一條跨越深50 m凹槽，主管道直徑為2.2～2.8m；埃及西水東調(diào)工程建成于1997年，將尼羅河水引向西奈半島，工程穿越蘇伊士運(yùn)河，修建了長750m、最高壓力水頭40m、流量160m^3/s、管徑5.1m的大型倒虹吸工程；美國科羅拉多引水工程建成于1974年，穿越沙漠和山地達(dá)390km，共建倒虹吸144條，總長47km。

小洼槽倒虹吸在充分論證管道材料性價(jià)比和工程安全性的基礎(chǔ)上，根據(jù)壓力等級(jí)、溫度、氣候和工程地質(zhì)條件等因素，采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（RPM）方案，在國內(nèi)大型輸水工程中僅此一例。我國已建的倒虹吸工程采用玻璃鋼管材的大多數(shù)為小型工程，管材采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管的更是少之又少，部分規(guī)模較大的倒虹吸工程水頭及管徑相對(duì)較小，大部分工程布置和制約條件相對(duì)簡單，基本采用小流量變幅以適應(yīng)水力控制要求。該倒虹吸由于大流量、大管徑、長距離的工程特性，特別是輸水流量和水頭損失變幅很大，因此管道設(shè)計(jì)參數(shù)、鋪層設(shè)計(jì)及性能檢測、生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場試驗(yàn)、全過程質(zhì)量控制是工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

3嚴(yán)寒地區(qū)大型倒虹吸工程關(guān)鍵技術(shù)

玻璃鋼管道是工廠化設(shè)計(jì)生產(chǎn)的復(fù)合材料管道，受原材料、鋪層結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場管溝填筑等因素影響，無論哪一個(gè)環(huán)節(jié)出

現(xiàn)問題都會(huì)對(duì)管道的正常使用造成致命的危害。因此，該倒虹吸所采用大口徑玻璃鋼管道作為國內(nèi)最大口徑的管道，技術(shù)問題非常突出。

3.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)地層條件，針對(duì)DN3700管徑大的特點(diǎn)，經(jīng)多次研究確定管道剛度為8000N/m^2（通常為5000N/m^2），接頭剛度≥25000N/m^2，承口和插口剛度應(yīng)一致。承、插口采用雙“O”形密封圈連接，密封圈材質(zhì)為三元乙丙橡膠，橫截面直徑為38～40mm，壓縮比為40%，環(huán)徑比為88%。管道最大允許長期垂直撓曲變形為3%，規(guī)范規(guī)定長期豎向擾曲變形為5%，考慮到該工程管徑為目前國內(nèi)應(yīng)用于倒虹吸工程中最大的，按5%確定管道變形為18.5cm，變形較大，因此管道設(shè)計(jì)長期豎向擾曲變形提高到3%，嚴(yán)格控制管道的變形。

3.2鋪層設(shè)計(jì)及性能檢測

（1）鋪層設(shè)計(jì)。在該擴(kuò)建項(xiàng)目之前，國內(nèi)玻璃鋼管道實(shí)際使用的最大直徑為3.1m。為尋求大口徑玻璃鋼管道技術(shù)突破，進(jìn)行了原材料研究、管道鋪層結(jié)構(gòu)研究，結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)首次采用耦合效應(yīng)較小的多角度、多層次、對(duì)稱式鋪層設(shè)計(jì)，按一層纏繞層、一層夾砂層間隔布置，纏繞層采用多角度、多切點(diǎn)、高張力連續(xù)往復(fù)交叉纏繞工藝，使管道的可靠性大為提高。同時(shí)采用單向布補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，有效解決了定長纏繞玻璃鋼夾砂管道承插口軸向強(qiáng)度較低的難題。DN3700玻璃鋼管道鋪層及承插口設(shè)計(jì)結(jié)果見表2～表5。

（2）性能檢測。玻璃鋼管是新型管材，為了進(jìn)一步了解符合倒虹吸工程各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的玻璃鋼管的各項(xiàng)性能指標(biāo)，委托上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測站依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)的管道進(jìn)行性能檢測，DN3700纏繞玻璃鋼夾砂管道性能檢測主要結(jié)果見表6?？梢钥闯?，檢測結(jié)果滿足規(guī)范的要求。

3.3生產(chǎn)工藝優(yōu)點(diǎn)

（1）根據(jù)生產(chǎn)試驗(yàn)研究，對(duì)主要原輔材料、成品管檢測以及生產(chǎn)工藝流程過程控制制定了系統(tǒng)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)確保大口徑玻璃鋼管道生產(chǎn)質(zhì)量起到了關(guān)鍵性作用。通過計(jì)算機(jī)和PLC精確控制樹脂、玻璃纖維、石英砂的材料用量，確保材料用量比例穩(wěn)定，使管道的各種材料組分含量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

（2）管道結(jié)構(gòu)層、鋪層設(shè)計(jì)采用多角度交叉纏繞、承插口段采用單向布和表面氈加樹脂纏繞，與小口徑管道鋪層設(shè)計(jì)相比，提高了管道的強(qiáng)度及剛度。

（3）管道內(nèi)襯制作中表面氈、短切氈、針織氈3種纖維布攤鋪采用機(jī)械作業(yè)，解決了人工操作搭接寬度不均一的缺陷。

（4）樹脂輸送采用專用泵（非氣泵），輸送流量大，運(yùn)行工況穩(wěn)定，樹脂噴淋均勻。

3.4現(xiàn)場試驗(yàn)研究

由于該擴(kuò)建工程DN3700玻璃鋼管道是目前國內(nèi)實(shí)施的口徑最大管道，因此在全線安裝前，在管線上進(jìn)行了120m（10根管）的現(xiàn)場試驗(yàn)?，F(xiàn)場檢驗(yàn)管道的強(qiáng)度，各種荷載組合下管道的變形，以及管道的嚴(yán)密性，為全線工程施工提供安裝回填的指標(biāo)。

（1）通過試驗(yàn)段施工，就管溝土方開挖、管基墊層回填、管道裝卸及運(yùn)輸、進(jìn)場管材和橡膠圈查驗(yàn)、管道鋪設(shè)中的吊裝方案、連接方法及接口打壓、鋼制管件安裝工藝和方法、管道回填中各分區(qū)回填材料、壓實(shí)設(shè)備及工器具、管道豎向撓曲變形控制和監(jiān)測等進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上制定了施T和驗(yàn)收規(guī)程。該規(guī)程對(duì)管道安裝各工序施工工藝及方法、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制方法等作出了明確的規(guī)定，為順利建成目前國內(nèi)口徑最大的玻璃鋼管道工程奠定了基礎(chǔ)。

（2）管腔回填材料、壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)控制管道豎向撓曲變形起決定性作用。試驗(yàn)表明，管腔回填料中含礫量越高，壓實(shí)密度（相對(duì)密度、干密度）越大，對(duì)控制管道豎向撓曲變形越有利。

（3）管道腋下三角區(qū)為管道回填的薄弱區(qū)，采取人工用木棒搗實(shí)回填工藝，必須加密抽檢該區(qū)域的壓實(shí)密度。

3.5玻璃鋼管道全過程質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.5.1管道制作

（1）原輔材料質(zhì)量控制。生產(chǎn)玻璃鋼管道所需主要原輔材料有樹脂、玻璃纖維、石英砂三大類，各類原輔材料進(jìn)廠后，不論批量大小，應(yīng)檢查隨行材料的質(zhì)量文件，并按現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其理化指標(biāo)進(jìn)行檢測復(fù)核，把好原材料質(zhì)量關(guān)。

（2）管道鋪層設(shè)計(jì)。嚴(yán)格按主要技術(shù)要求精心進(jìn)行纏繞鋪層設(shè)計(jì)，合理制定鋪層纏繞工藝，以滿足直管段剛度7500N/m^2，環(huán)向拉伸強(qiáng)度7576kN/m，軸向拉伸強(qiáng)度693kN/m，初始撓曲性A水平10.5%、B水平17.5%，承插口段剛度25000N/m^2，內(nèi)壓環(huán)向強(qiáng)度安全系數(shù)大于等于7的要求。

（3）管材試驗(yàn)。要求具有相關(guān)資質(zhì)且具有威望的檢測單位對(duì)生產(chǎn)出來的第一根管道進(jìn)行平行板外載剛度、撓曲水平、強(qiáng)度、巴氏硬度、樹脂含量、樹脂不可溶分含量、接頭內(nèi)壓試驗(yàn)，根據(jù)檢測結(jié)果與規(guī)范規(guī)定值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，以確保設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。之后每根管道必須按照設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行生產(chǎn)，每根管道出廠前必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以確保管道質(zhì)量合格。

（4）檢驗(yàn)。按照規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)管材的幾何尺寸及外觀質(zhì)量。

3.5.2管道存放、裝卸及運(yùn)輸

管道存放時(shí)應(yīng)設(shè)置不少于3道木質(zhì)管枕，并在管內(nèi)設(shè)置“十”字支撐（不少于4道）。安裝現(xiàn)場臨時(shí)存放管材時(shí)也可采用弧形砂枕，砂枕粒徑小于20mm，寬度不小于500mm，每根管子砂枕數(shù)量不少于9道。

為了保證管材在運(yùn)輸過程中不發(fā)生損壞、變形，應(yīng)在管材裝車前封口，在管材內(nèi)安設(shè)多道支撐，并將支撐連接，選擇專用車輛（車上安裝3道與管材同心的弧形鞍座，并在鞍座上加裝厚橡膠板，用3道外套橡膠軟管的繩索將管材牢固地捆扎到車輛上）運(yùn)輸，并采用柔軟、寬松的繩索吊裝，裝卸過程應(yīng)輕裝輕放。

3.5.3管道安裝及回填

通過試驗(yàn)段的施工，研究分析機(jī)械設(shè)備、工器具配置、施工工藝方法、質(zhì)量控制方法和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，為工程全線展開奠定基礎(chǔ)。

（1）對(duì)進(jìn)場的每根管道及橡膠圈均進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收檢查，檢查的項(xiàng)目及質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范要求。

（2）管道采用單溝單管，溝槽開挖至安裝高程，應(yīng)進(jìn)行承載力檢測，根據(jù)地質(zhì)情況及承載力要求決定是否需要進(jìn)行基礎(chǔ)換填處理，嚴(yán)格控制軸線和管底高程，使其滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

（3）每個(gè)管道接口都要進(jìn)行打壓檢查，檢查在安裝過程中止水橡膠圈是否脫槽或擠裂；在管道回填至管頂30cm以后再次對(duì)管道接頭進(jìn)行打壓，驗(yàn)證回填對(duì)管接頭是否產(chǎn)生影響，保證管道接頭不滲水。

（4）管腔區(qū)范圍采用砂礫料填筑，回填時(shí)管道兩側(cè)壓實(shí)面的高差不超過0.3m；分段回填時(shí)，相鄰段的接茬應(yīng)呈階梯狀，不得漏夯，腋下三角區(qū)應(yīng)用木棒人工搗實(shí)；鎮(zhèn)墩與管身段基礎(chǔ)應(yīng)采用砂礫料或混凝土墊層過渡，以減少不均勻沉降。

（5）根據(jù)試驗(yàn)段調(diào)整后的壓實(shí)指標(biāo)控制溝槽填筑指標(biāo)，在回填過程中一定要控制好逐次回填，堅(jiān)持對(duì)稱回填的原則，特別是管軸線以下的回填尤為重要。在管道回填過程中隨時(shí)監(jiān)測管道的豎向變形，在管道回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，控制管道初始豎向變形≤2%。

3.5.4水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)包括分段水壓試驗(yàn)和系統(tǒng)水壓試驗(yàn)，分段水壓試驗(yàn)包括強(qiáng)度試驗(yàn)和嚴(yán)密性試驗(yàn)。管道采用小流量沖水后啟動(dòng)打壓泵，以不大于0.005MPa/min的速率緩慢升壓至0.2～0.3MPa，關(guān)閉注水閥浸潤24h后進(jìn)行壓水試驗(yàn)。繼續(xù)加壓應(yīng)根據(jù)分級(jí)逐步升壓的方式升高至規(guī)范要求的壓力等級(jí)并保壓觀察，按《給排水管道施工及驗(yàn)收規(guī)范》（ GB50268-2008）要求進(jìn)行 。

3.5.5監(jiān)測

埋設(shè)監(jiān)測儀器對(duì)管道沿線內(nèi)水壓力、玻璃鋼管接頭、徑向變形、進(jìn)出口結(jié)構(gòu)變形、溫度、應(yīng)力、管道應(yīng)力、土壓力、管道滲漏進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測，采用安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)及時(shí)地了解管道運(yùn)行情況，為管道安全運(yùn)行提供保障。

3.5.6運(yùn)行管理

在管道運(yùn)行前及放空后需巡線，對(duì)管線、放空系統(tǒng)、進(jìn)出口金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備及安全監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行檢查，對(duì)管道及設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，確保所有設(shè)備正常工作。在充、放水及運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守運(yùn)行管理規(guī)程。

4結(jié)語

對(duì)大型倒虹吸玻璃鋼管的計(jì)算參數(shù)確定、鋪層設(shè)計(jì)、性能檢測、生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場試驗(yàn)、全過程質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為高壓力、大直徑玻璃鋼管道在大型倒虹吸工程的應(yīng)用提供借鑒和參考。

（1）該倒虹吸采用的DN3700玻璃鋼管，設(shè)計(jì)壓力為0.65MPa，比實(shí)際運(yùn)行工作壓力提高了0.20MPa，有效地提高了管道結(jié)構(gòu)的安全性。在滿足安全可靠的前提下，節(jié)省了工程投資。

（2）根據(jù)生產(chǎn)試驗(yàn)研究，對(duì)主要原輔材料、成品管監(jiān)測及生產(chǎn)工藝流程過程控制制定了系統(tǒng)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，成品管批量抽檢數(shù)據(jù)充分說明，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)確保大口徑玻璃鋼管生產(chǎn)質(zhì)量起到了關(guān)鍵性作用。

（3）管道結(jié)構(gòu)層鋪層設(shè)計(jì)采用多角度交叉纏繞，承插口段采用單向布和表面氈加樹脂纏繞，與小口徑管道鋪層設(shè)計(jì)相比，提高了管道的剛度與強(qiáng)度。管道內(nèi)襯制作中表面氈、短切氈、針織氈三種纖維布攤鋪采用機(jī)械作業(yè)，解決了人工操作搭接寬度不均一的缺陷。

（4）從目前國內(nèi)玻璃鋼管的實(shí)際運(yùn)用情況看，絕大部分使用在中小管道上，大口徑玻璃鋼管道使用實(shí)例較少，新疆供水工程中的小洼槽倒虹吸有3條5316m的輸水管道，擴(kuò)建工程成功地應(yīng)用了直徑為3.7m的大口徑纏繞式玻璃鋼管。DN3700玻璃鋼管在國內(nèi)屬首次批量生產(chǎn)，通過生產(chǎn)試驗(yàn)研究，可為國內(nèi)外類似工程提供借鑒和參考。