摘 要:舊院水庫工程為貴州省水利生態(tài)建設石漠化治理“三位一體”綜合規(guī)劃建設的骨干水源工程之一,工程任務為農(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)舊院水庫工程為例,對水利工程中常用輸水管材焊接鋼管、球墨鑄鐵管、預應力混凝土管(PCCP)、玻璃夾砂管(GRP)進行了技術經(jīng)濟比較,介紹了玻璃夾砂管水力學計算過程,提出玻璃夾砂管在舊院水庫供水工程中是一種適用性較強、經(jīng)濟合理的管材。
關鍵詞:貴州?。徊AA砂管(GRP);比選;設計
1 工程概況
六枝特區(qū)舊院水庫位于六盤水市東部,距省會貴陽市174km,工程主要任務為灌溉新場鄉(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。水庫總庫容1458萬m3,擋水建筑物為混凝土面板堆石壩,最大壩高41.50m。總干管管首設計流量為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)點是強度高,管材及管件易加工,可現(xiàn)場卷板加工,管廠建設周期短,特別是地形復雜的地段,可根據(jù)地形的起伏制作相應的連接件,使用靈活。但鋼管的剛度小,易變形,襯里及外防腐要求嚴,必要時需作陰極保護,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)點是延伸率、剛度、抗拉強度均較大,承受土壤靜荷載及地面動荷載的能力通常比其它管材強,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,比化學管材及鋼管使用壽命長;其缺點是只能提供標準管件,單管重量大,同直徑、同內(nèi)壓單位長度管重比鋼管重1.35倍,在野外交通條件不便的情況下二次搬運費用高,安裝不便。
2.3 預應力混凝土管(PCCP)
PCCP管是我國于20世紀90年代初從美國引進的新型管材生產(chǎn)技術,采用新型復合材料,其工作原理是:將預應力鋼絲按設計拉應力和螺距連續(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目上,其中南水北調(diào)工程北京段采用了DN4000mm的PCCP管,為國內(nèi)同類管道最大口徑。其主要優(yōu)點有材料單價低、采用承插式接口,安裝方便;其缺點主要是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,且標準管件重量大,比同管徑、同壓力作用下的鋼管重2.8倍,運輸困難,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樹脂塑料管。大口徑夾砂管在源水引用管道上,國內(nèi)外使用較多。它重量輕,強度高,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)勢越明顯;其缺點為剛度小,管道基礎要求較嚴,必要時需作砂墊層,對回填料和壓實度有非常嚴格的要求,玻璃夾砂管破裂維修,通常采用玻璃鋼粘補,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 鋼管和預應力砼管比較
目前使用的預應力砼管公稱壓力在0.2~1.0Mpa,因此僅水頭在1.0Mpa以下考慮預應力砼管,對于高于1.0Mpa以上水頭的管道,按壓力要求直接采用焊接鋼管。
可以看出雖然預應力砼管比鋼管重,但價格便宜,綜合下來0.2~1.0Mpa采用預應力砼管比鋼管經(jīng)濟。
3.2 鋼管和球墨鑄鐵管比較
球墨鑄鐵管和鋼管單價相當,但球墨鑄鐵管施工方便,對同樣管徑的管道,應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,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,采用夾砂管根據(jù)水力計算管徑只需要700mm,從上表不難看出夾砂管從重量和價格上要優(yōu)于鋼管,只是存在施工復雜等因素,綜合考慮下來夾砂管比鋼管要經(jīng)濟。
3.4 預應力砼管和夾砂管比較
從上表可以看出預應力砼管比夾砂管重,管徑大,目前使用的預應力砼管公稱壓力在0.2~1.0Mpa,在同等公稱壓力下夾砂管比預應力砼管造價低,綜合考慮下夾砂管比預應力砼管經(jīng)濟。
綜上所述,從管道壓力要求、經(jīng)濟性及安全運輸條件等綜合考慮,本工程供水管道以夾砂管為主,局部隧洞明管段采用預應力混凝土管。
4 水力設計
4.1 管徑計算
輸水管采用夾砂管和混凝土管,考慮24小時輸水,管道的直徑根據(jù)技術經(jīng)濟條件結(jié)合運用情況來綜合選擇。按管徑計算經(jīng)驗公式進行初估。4.3 水擊計算
有壓管道系統(tǒng)中,由于水力控制裝置迅速調(diào)節(jié)流量(如關閉閥門),管道內(nèi)流速相應地急速變化,致使管道內(nèi)水流也相應地急劇升高或降低,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)必須對水擊進行計算,以保證管道運行安全。計算公式采用《水工建筑物荷載設計規(guī)范》中附錄E,計算結(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)水流動量變化引起的,單位時間動量變化越大,水流產(chǎn)生的沖擊波越大;動量變化的實質(zhì)是流速的改變,而流速的改變?nèi)Q于閘閥關閉時間的長短,即閘閥關閉時間的長短對水擊壓力影響非常大。
根據(jù)以上計算結(jié)果可以看出,閘閥關閉的時間對水擊壓力影響非常明顯,因此延長閘閥關閉時間是行之有效的減小水錘壓力措施;事實上,當關閉時間足夠長時,水錘壓力很小甚至可以忽略不計。本工程閘閥均為手動控制,為減小水錘壓力值,充分延長閘閥關閉時間可以做到的。但結(jié)合實際情況,不可能用很長時間來關閉閥門,本工程將閥門關閉時間控制在2分鐘以內(nèi)即可滿足運行安全要求。
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)中國工程建設標準化協(xié)會標準《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術規(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。當流速大于3m/s時,應經(jīng)過水錘分析計算設置減壓想能裝置和其他水錘防護措施。”因此,對于本工程而言,各管道流速均小于3m/s,再延緩閥門關閉時間,在管道末端不會產(chǎn)生過大的水擊,不需要設置專門的水錘防護裝置。
在管道的結(jié)構(gòu)計算中,依據(jù)既要充分考慮水擊作用確保管道安全運行,又要考慮節(jié)約材料,節(jié)省投資。根據(jù)水擊計算成果,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
文章通過舊院水庫供水工程各種管材技術、經(jīng)濟比較及水力學計算進行了介紹,我們對舊院水庫供水工程有了初步了解。由于每個工程所受工程地形、地質(zhì)條件限制,其具體比選和設計會有所不同。在具體的工程環(huán)境下,應結(jié)合具體的情況,合理比較輸水管材、對管線設計進行比選,使項目發(fā)揮最大經(jīng)濟效益。
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作者簡介:吳春占(1980-),男,工程師,從事水利工程建設和管理工作。