張 杰

1 工程概況

禹門口提水東擴(kuò)工程位于山西省中南部，是向新絳、稷山、襄汾、侯馬、曲沃、翼城六縣市工農(nóng)業(yè)及農(nóng)村生活供水的保障性給水工程。年農(nóng)業(yè)供水量（包括汾河生態(tài)用水）8095萬(wàn)m3，工業(yè)供水量8030萬(wàn)m3，總計(jì) 1.61 億 m3。

工程干線起點(diǎn)位于新絳縣禹門口提水工程二級(jí)干渠光馬渡槽末端，終點(diǎn)位于距翼城縣城6.0km的西梁水庫(kù)。其間分別設(shè)置了向襄汾原井灌區(qū)供水支線、新絳供水提水支線、侯馬和曲沃分水口、汾河生態(tài)補(bǔ)水輸水支線、侯馬北莊灌區(qū)分水口、澮河灌區(qū)供水支線等。另外，在禹門口提水工程二級(jí)干渠樁號(hào)Q44+324處設(shè)置了向稷山汾南灌區(qū)供水支線。工程沿線共布置調(diào)蓄水庫(kù)2座，提水泵站4座，主管線全長(zhǎng)48.8km，支管線長(zhǎng)20.0km，輸水干渠總長(zhǎng)11.1km，支渠總長(zhǎng)34.3km。工程分兩期實(shí)施。

2 輸水管道設(shè)計(jì)

2.1 管道材料選擇

從目前國(guó)內(nèi)管材生產(chǎn)的技術(shù)來(lái)看，鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）、玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（RPMP）、預(yù)應(yīng)力混凝土管（PCP）均可滿足以上幾方面的要求，而PCP雖然其單位長(zhǎng)度的造價(jià)明顯低于上述其他管材，但由于在接頭密封處理、抗沉陷變形、使用壽命等方面的不足，使得該管材的運(yùn)行維護(hù)成本、二次投入成本均高于其他管材。結(jié)合國(guó)內(nèi)長(zhǎng)距離輸水工程管材選用和工程的實(shí)際情況，重點(diǎn)對(duì)鋼管、PCCP和RPMP進(jìn)行綜合比較，以確定推薦管材。

2.1.1 鋼管

鋼管的優(yōu)點(diǎn)是管材強(qiáng)度較高，耐工作壓力高，鋪設(shè)方便，適應(yīng)性強(qiáng)，接口形式靈活，管道滲漏較少，單位管長(zhǎng)重量較輕，適用于地形復(fù)雜地段和穿越各種障礙。缺點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)較高，并需對(duì)管道做防腐處理。

2.1.2 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是由鋼板、鋼絲和混凝土構(gòu)成的復(fù)合管材，是在鋼筒內(nèi)壁成型混凝土層后在混凝土管芯外表面纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲，并輥射水泥砂漿保護(hù)層制作而成。其設(shè)計(jì)方法先進(jìn)、安全，能承受高的內(nèi)壓和外部荷載，接頭密封性好，對(duì)地基適應(yīng)能力強(qiáng)、抗震性能好，有較高的通水能力，耐腐蝕性能好，可通過(guò)焊接部分接頭抵抗推力，管道運(yùn)行經(jīng)濟(jì)安全，造價(jià)低，壽命長(zhǎng)，社會(huì)綜合效益好。同時(shí)具有耗鋼少、價(jià)格相對(duì)較低、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)已廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)距離、大流量的城市供水工程中。

2.1.3 玻璃鋼管

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂纏繞成型夾砂管（RPMP）是近年來(lái)國(guó)內(nèi)的一種新型管材。優(yōu)點(diǎn)是材料強(qiáng)度高，密閉性好，重量輕，管道內(nèi)壁光滑，相應(yīng)水頭損失小，具有良好的防腐性，管道維修方便快捷，特別是管道重量輕，需要的大型設(shè)備少、費(fèi)用低。缺點(diǎn)是管道為柔性管，抗外壓能力相對(duì)較差，對(duì)回填土施工技術(shù)要求較高，目前已建成并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行考驗(yàn)的工程實(shí)例還較少。

由上述可知，PCCP、鋼管、RPMP均能滿足供水要求，根據(jù)工程的具體情況，輸水管線由于受管道內(nèi)壓波動(dòng)和水錘的影響，對(duì)管道本身的耐久性、抗外壓性能等都有較高的要求。所以該輸水工程主管道三泉水庫(kù)至西梁水庫(kù)段設(shè)計(jì)選用PCCP，管道糙率按設(shè)計(jì)手冊(cè)并結(jié)合其他工程經(jīng)驗(yàn)取0.0125；三級(jí)泵站澮河出水池至澮河水庫(kù)段為重力流段，線路起伏較大，管道直徑相對(duì)較小，設(shè)計(jì)選用RPMP，管道糙率取0.0095；新絳支線、汾河生態(tài)補(bǔ)水支線設(shè)計(jì)選用鋼管，管道糙率取0.012。

2.2 管道水力計(jì)算

根據(jù)實(shí)際地形和管道走向布置管道及其附屬建筑物，并根據(jù)計(jì)算確定管徑及壓力等級(jí)。管道縱坡設(shè)計(jì)盡量與地面坡度一致，以減少溝槽的開挖和回填量。

2.2.1 管徑計(jì)算

管道的管徑按下式初步選擇：

式中：D——設(shè)計(jì)管道內(nèi)徑，m；

Q——設(shè)計(jì)引水流量，m3/s；

v——管道經(jīng)濟(jì)流速，m/s。

2.2.2 水頭損失

沿程水頭損失計(jì)算采用如下公式：

式中：hf——管道沿程水頭損失，m；

v——管道斷面平均流速，m/s；

C——謝才系數(shù)；

R——水力半徑，m。

經(jīng)計(jì)算，各段管道的水頭損失見(jiàn)表1。

2.2.3 主管線管徑與揚(yáng)程比選

禹門口提水東擴(kuò)工程采用梯級(jí)泵站提水、揚(yáng)程較大、輸水管道較長(zhǎng)，管材、管徑的確定將直接影響工程投資和運(yùn)行管理費(fèi)用。設(shè)計(jì)通過(guò)鋼管、PCP，PCCP，RPMP管道技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，選定PCCP為主要輸水管材；通過(guò)輸水管徑、泵站揚(yáng)程、運(yùn)行費(fèi)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，確定經(jīng)濟(jì)、合理的管道直徑。

表1 管道內(nèi)徑及水頭損失

該工程為工業(yè)、農(nóng)村生活飲水和農(nóng)業(yè)灌溉供水，并采用一條管道輸水，若考慮供水時(shí)間分布不均，減少管道直徑降低工程投資，加大泵站揚(yáng)程增加運(yùn)行費(fèi)用，但工業(yè)、農(nóng)業(yè)供水各占50%的供水量，初步計(jì)算，采用加大泵站揚(yáng)程減小管道直徑方案將會(huì)增加運(yùn)行管理費(fèi)用（見(jiàn)表2）。更為重要的是，若管徑選擇較小，管道沿程損失較大，水泵揚(yáng)程較大，管道選定揚(yáng)程和實(shí)際地形揚(yáng)程偏差很大，在單一工業(yè)供水和工農(nóng)業(yè)供水流量變化較大，或在工業(yè)供水規(guī)模未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前幾年，水泵不可能在有效區(qū)內(nèi)運(yùn)行，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。

表2 主線各級(jí)泵站管徑、揚(yáng)程改變后工程費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用比較

2.3 管道埋設(shè)及防腐

2.3.1 普通段管道埋設(shè)

輸水管道大部分隨地勢(shì)鋪設(shè)，總干管路穿過(guò)的地層多為濕陷性黃土區(qū)和砂卵石土層，溝槽開挖邊坡為1:0.5～1:1。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，管道沿線除穿汾河段不存在濕陷性外，其余地段均為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土，地基自重濕陷量的計(jì)算值為0～768.0mm，濕陷量的計(jì)算值為0～908.0mm，屬（非）自重Ⅱ級(jí)（中等）～自重Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）濕陷性場(chǎng)地，揭露濕陷土層深度約15.0m，管道基礎(chǔ)處理參照省內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)PCCP管道輸水工程經(jīng)驗(yàn)，分自重濕陷性和非自重濕陷性兩種類型進(jìn)行，分別采用1.0m厚和0.5m厚的2:8灰土進(jìn)行換基處理，壓實(shí)度不小于0.95；遇濕陷性黃土地基時(shí)，管線管道基底以上均鋪設(shè)0.15m厚的砂礫石墊層；遇非濕陷性黃土地基時(shí)，管線管道基底以上均鋪設(shè)0.3m厚的砂礫石墊層。管道埋設(shè)完成后，回填至原地面，但管頂以上覆土厚度應(yīng)不小于1.5m，可將開挖的砂卵石、土和土石作為回填料直接回填。

管道回填分為5個(gè)區(qū)，管道墊層為砂礫料，最大粒徑20mm；管道基角120°以下（包括砂礫石墊層）為回填Ⅰ區(qū)，回填料為砂礫料，最大粒徑不超過(guò)50mm，回填相對(duì)密度不小于0.75；管頂以下500mm為回填Ⅱ區(qū)，回填料為開挖土，壓實(shí)度不小于0.95；管頂500mm以上至地面以下300mm為回填Ⅲ區(qū)，回填料為開挖土，壓實(shí)度不小于0.90；最上部分為回填Ⅳ區(qū)，回填料采用耕植土回填至地面以上300mm，整平不壓實(shí)；回填時(shí)管道兩側(cè)應(yīng)均勻上升，每層回填厚度應(yīng)不大于300mm。

2.3.2 管道的防腐

地質(zhì)資料表明，該項(xiàng)目所在地區(qū)地下水為松散巖類孔隙水，主要接受大氣降水及邊山地下水側(cè)向補(bǔ)給。汾河水水化學(xué)類型為SO4-HCO3-Ca-Mg-Na型水。按照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，判定為硫酸鹽型中等腐蝕性。澮河支線輸水管線段環(huán)境水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具弱腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性；另外，輸水管道沿線局部地區(qū)（樁號(hào)20+425.9～21+450.2段）土壤對(duì)鋼筋存在弱腐蝕性。考慮到禹門口提水東擴(kuò)工程為工業(yè)和農(nóng)村生活供水的重要性，參考國(guó)內(nèi)類似大口徑、長(zhǎng)距離輸水管道工程的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮供水地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境變化的影響，設(shè)計(jì)對(duì)PCCP采用管道外表面涂環(huán)氧煤瀝青防腐涂料進(jìn)行管道的防腐蝕保護(hù)，厚度400μm。鋼管內(nèi)防腐采用水泥砂漿，厚度10mm，鋼管外防腐采用三油兩布。

3 管道抗浮穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)資料可知，在主管線樁號(hào)16+034.6～20+425.9之間，管線通過(guò)汾河漫灘及汾河Ⅰ級(jí)階地，地下水位埋深較淺，僅0～5.7m，設(shè)計(jì)對(duì)該段管道進(jìn)行抗浮穩(wěn)定計(jì)算。

此段管道管徑為2.0m。選取單位長(zhǎng)度管道進(jìn)行抗浮穩(wěn)定計(jì)算，地下水位埋深按0考慮，允許抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.1。經(jīng)計(jì)算，管道頂部覆土厚度大于1.60m時(shí)才能滿足管道抗浮穩(wěn)定要求。安裝回填過(guò)程應(yīng)注意管道漂浮。

4 結(jié)語(yǔ)

禹門口東擴(kuò)工程為山西省大型引調(diào)水工程，規(guī)模大、線路長(zhǎng)、內(nèi)容多，針對(duì)輸水線路的特點(diǎn)，管道設(shè)計(jì)在整個(gè)工程設(shè)計(jì)中起至關(guān)重要的作用，合理選擇管材和管徑可以縮短施工工期、方便運(yùn)行管理和減少工程投資。