高 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司， 遼寧 沈陽 110000)

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長距離輸水管道事故產(chǎn)生原因及對策分析

高 鵬

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司， 遼寧 沈陽 110000)

本文就當(dāng)前長距離輸水管道事故發(fā)生的原因進(jìn)行全面總結(jié)，深層次地探討事故產(chǎn)生的原因，并有針對性地提出降低長距離輸水管道事故發(fā)生的對策。

長距離輸水管道; 事故; 原因與對策

1 引 言

隨著水資源的緊缺和分布不均，輸水距離變得越來越遠(yuǎn)，跨地區(qū)、跨流域、高揚程、大流量輸水逐漸成為供水行業(yè)普遍的現(xiàn)象。但是由于輸水路徑長、輸水管徑大、地質(zhì)復(fù)雜等原因，長距離輸水管道常常發(fā)生漏損、爆裂等事故，如何降低和控制長距離輸水管道事故發(fā)生成為供水行業(yè)關(guān)注的焦點。

2 長距離輸水管道事故原因分析

2.1 管材方面

灰鑄鐵管是當(dāng)前大多數(shù)長距離輸水所采用的管道，由于其鑄管工藝是以連續(xù)澆鑄的方式進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)出的鑄鐵管在投產(chǎn)運行時達(dá)不到工程設(shè)計和使用標(biāo)準(zhǔn)，常發(fā)生管道斷裂、漏損等現(xiàn)象[1]。究其原因是連續(xù)鑄管工藝在拉管脫模過程中，采用激冷凝固的方式。雖然該種方式具有產(chǎn)量高、成本低、工藝簡單等優(yōu)點，但也存在著一些不可忽視的缺陷。首先是缺乏相關(guān)退火工序，致使管壁溫度應(yīng)力無法消除，在管道表面形成過冷石墨層，在具體使用過程中表現(xiàn)為抗震性不強、沖擊力弱、抗拉抗彎性低等特點。其次是拉管速度和鐵水液面高度采用人工控制，致使管道組織不一致，管道內(nèi)部出現(xiàn)許多小穴，在具體使用過程中表現(xiàn)為承載能力低。再次是管體易出現(xiàn)黑渣、重皮、氣孔等鑄造缺陷。一旦這些鑄造缺陷出現(xiàn)在應(yīng)力較大的部位，當(dāng)最大應(yīng)力達(dá)到強度極限時，則表現(xiàn)為管身在此處斷裂。

2.2 接口方面

首先表現(xiàn)為接口剛性太強，隨著輸水管道的長期運行，由于地基、土質(zhì)的變化以及人為因素的干擾，常常使管道發(fā)生不均勻沉降，如果管道接口剛性太強，則常常在管道中間區(qū)域發(fā)生破裂。其次是接口施工太差，在輸水管道接口施工過程中，如果接口處周圍水泥夯實不結(jié)實，油麻填塞不均勻，輸水管道在運行期間勢必在接口處會出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

2.3 施工方面

在具體施工過程中，未能按照要求夯實管道兩旁的覆土，特別是對于長距離大管徑管道，管道破裂的可能性大大增強；管道埋設(shè)基礎(chǔ)較差，未能對埋設(shè)過程中出現(xiàn)的硬物、石塊等進(jìn)行清理，或者鋪設(shè)管線的地質(zhì)較為松軟，造成管道局部應(yīng)力集中，一旦應(yīng)力集中過大，則會在該部位發(fā)生破損；對于一些大口徑丁字、彎頭管道，如果未能設(shè)計支墩或設(shè)置支墩后座土坡松動，將大大增加管道位移的可能性；在管道焊接時，未能及時對管道焊縫中的氣孔、尖渣等情況處理，焊接質(zhì)量也直接影響管道事故發(fā)生[2]。

2.4 腐蝕問題

隨著時間的推移，管道在土壤中常常發(fā)生細(xì)菌和電化學(xué)方面的腐蝕，管道將局部發(fā)生生銹、脆化、開裂、穿孔，甚至出現(xiàn)爆裂等現(xiàn)象。例如，鐵細(xì)菌排出的氫氧化鐵，有時能夠堵塞水管過水截面。

2.5 水擊現(xiàn)象

水擊是指由于外界因素，管道中的水流狀態(tài)突然發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致水壓發(fā)生劇烈波動而引起的現(xiàn)象。當(dāng)水擊波周期大于水流突變的時間，這種水擊稱為直接水擊；反之，則稱為間接水擊。通常情況下，長距離輸水管道水擊是直接水擊。直接水擊所產(chǎn)生的壓強:

而

式中α——水擊波的傳播速度，m/s；

α0——水中聲波的傳播速度，m/s；

P——水的密度，N/m2；

R0——水擊前的水流速度，m/s；

R——水擊后的水流速度，m/s；

E——管壁的彈性模量，Pa；

E0——水的彈性模量，Pa；

δ——管壁厚度，mm；

D——管徑，m。

由此可得如下結(jié)論：對于同一種管材而言，管壁越薄，管徑越大，則水擊壓強越小，反之，則水擊壓強越大。

值得一提的是，通過上述公式計算所得的水擊壓強值要比實際產(chǎn)生的小，這是因為實際還存在管道氣蝕和摩阻的影響。在這種水擊現(xiàn)象下，管道將會發(fā)生變形，甚至?xí)霈F(xiàn)破裂現(xiàn)象。特別是在多波源水擊波共振的情形下，水擊壓強產(chǎn)生的破壞效果將更加嚴(yán)重。

2.6 內(nèi)外荷載

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，人們對于輸水管道總體水壓的要求越來越高，進(jìn)而對管道產(chǎn)生的壓力也就越來越大，因此，管道事故發(fā)生的概率也就大幅度增加。同時，一些管道埋設(shè)深度太淺，加之重型機械的碾壓和車輛運輸頻率的增加，這種情況的存在致使管道的動荷載增加。此外，由于各種管道的新建和升級改造，管道與管道之間原有外力荷載將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致在管道接口處發(fā)生漏水、爆裂等現(xiàn)象。

2.7 低溫

冬季是長距離輸水管道常發(fā)事故的季節(jié)，究其原因是冰凍荷載和溫差應(yīng)力的存在。其中冰凍荷載是指在溫度低于0℃時，將會發(fā)生土顆粒凍結(jié)和析冰作用，土壤的體積將會凍脹，從而對管道產(chǎn)生較大的凍脹力，并且凍脹力與溫度之間呈現(xiàn)出反比例關(guān)系，與冰凍層厚呈現(xiàn)正比例關(guān)系。而溫差應(yīng)力亦稱溫變壓力，是指隨著溫度的變化，管壁上所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。當(dāng)天氣變冷時，這種溫差應(yīng)力表現(xiàn)為向拉應(yīng)力；當(dāng)天氣變暖時，這種溫差應(yīng)力表現(xiàn)為向壓應(yīng)力。隨著管道周圍溫度的變化，這兩種應(yīng)力也在不斷變化，從而導(dǎo)致由于疲勞破壞而發(fā)生斷裂破壞。

2.8 其他工程的影響

管道正常運行后，不可避免地受到一些拔樁、堆土、開挖管渠等工程施工的影響[3]。具體變現(xiàn)為在管道附近打樁時，由于振動及擠壓土壤的影響，易使偏樁的另一側(cè)和管道上側(cè)方向凸起，從而損壞管道；在拔樁時，則會在相反的方向上損壞管道；在降低埋設(shè)管道附近地下水位時，管道將不同程度產(chǎn)生不均勻沉降，從而損壞管道接口；在埋設(shè)管道附近開挖深溝時，會使管道底部發(fā)生向下位移，從而對管道產(chǎn)生破壞。

3 降低長距離輸水管道事故發(fā)生的策略

3.1 合理選擇管道材料

逐漸淘汰連續(xù)澆鑄鑄鐵管，選擇一些內(nèi)壁粗糙系數(shù)低、安全可靠性高、使用壽命長的管道材質(zhì)。對于管徑要求在75～150mm的管道，應(yīng)采用球墨鑄鐵管或PVC、PE材質(zhì)的管道；對于管徑要求在200～1500mm的管道，應(yīng)采用玻璃纖維增強管、預(yù)應(yīng)力混凝土管或者球墨鑄鐵管；對于管徑要求超過1500mm的管道，應(yīng)采用鋼管、薄壁鋼筒預(yù)應(yīng)力混凝土管。

3.2 采用柔性接口

石棉水泥接口剛性強，在溫差應(yīng)力、不均勻沉降的情況下，管徑較大管道容易發(fā)生承口豁裂，管徑較小管道容易產(chǎn)生環(huán)向裂縫，所以，應(yīng)采用柔性接口。例如，橡膠圈式的柔性接口可以有效避免不均勻沉降、溫差應(yīng)力所產(chǎn)生的各種不利應(yīng)力[4]。

3.3 加強施工技術(shù)管理

在施工過程中，首先采用黏土或砂對管底地基進(jìn)行平整，避免一些石塊、鋼筋等堅硬物質(zhì)對管道構(gòu)成集中荷載。其次在設(shè)置閥門等配件時，最大限度地使管道與基礎(chǔ)的沉降量相互接近，砌閥門井時為了防止沉陷不同對管道的損壞，應(yīng)在管道旁留有空隙。再次，對于管道覆土應(yīng)注意密實度要一致，并且管道附近不能有堅硬物質(zhì)。最后，對于較大管徑管道的彎頭，應(yīng)設(shè)置一些支墩防止管道移動，支墩背后的土應(yīng)用取原土，并在水壓試驗時，密切關(guān)注相關(guān)接口和支墩的移動情況。

3.4 強化管道防腐措施

通常情況下，金屬管道的防腐對于管道輸送能力和使用壽命起著重要作用。一是實施管壁保護涂層。對于球墨鑄鐵管和一般鑄鐵管管壁應(yīng)采用環(huán)氧媒瀝青或瀝青涂料，對于鋼管應(yīng)采用環(huán)氧媒瀝青和玻璃纖維布進(jìn)行四油三布或三油二布保護。然而，在現(xiàn)實生活中，并不是所有的土壤腐蝕條件都相同，因此，應(yīng)根據(jù)不同的土壤條件實施不同的防腐措施。二是實施陰極保護。按照腐蝕電池原理，將金屬管變成為陰極就可以達(dá)到防止腐蝕的目的。根據(jù)所采用方法的不同，可分為犧牲陽極法和外加電流法兩種方法，其兩種方法之間的優(yōu)缺點見右表。

值得一提的是，應(yīng)根據(jù)土壤環(huán)境、運行管理等實際情況合理選擇犧牲陽極法與外加電流法，經(jīng)過表中兩種方法的分析比較，長距離輸水管道在無可靠交流電源,市區(qū)內(nèi)的管線地段采用犧牲陽極法，在其他管線地段采用強制電流法，并且設(shè)置陰極保護站。

3.5 合理控制輸水管道水壓

水壓過高勢必會增加長距離輸水管道事故發(fā)生的概率。因此，在保證水量、水壓和水質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過裝置泄壓水池、調(diào)整泵的運行等方法降低長距離輸水管道供水壓力，減少管道漏損水量。

3.6 注重輸水管道設(shè)施配備和日常維護

因地制宜，在長距離輸水管道中應(yīng)設(shè)置水擊消除器、排氣閥等設(shè)施；在泵房按照要求設(shè)置關(guān)閉止回閥；在充水時需打開消火栓、排氣閥。并注重管道的日常養(yǎng)護管理、檢修等工作，確保管道排氣通暢，在啟用閥門和泵時能夠按照要求嚴(yán)格執(zhí)行。

4 結(jié) 語

綜上所述，引發(fā)長距離輸水管道事故發(fā)生的因素是多方面的。因此，在對管材、接口、施工質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)的前提下，提前預(yù)防非恒定水流所引起的水壓、水擊等現(xiàn)象。只有這樣，才能降低長距離輸水管道運行中管道發(fā)生的滲透、爆破等事故。

[1] 李助惠.長距離管道輸水工程幾個問題硏究[D].銀川:寧夏大學(xué)，2015.

[2] 練繼患,穆樣鵬,趙新.輸水工程水力特性與控制[M].北京:中國水利水電出版社,2012.

[3] 黃國濤.長距離輸水管道事故分析[J].工程與建設(shè)，2015(1).

[4] 楊志峰.杭州蕭山長距離大口徑輸水管道設(shè)計總結(jié)[J].給水排水,2012(4).

Analysis on accident reasons and countermeasures of long-distance water conveyance pipeline accident

GAO Peng

(Liaoning Civil and Hydraulic Engineering Consulting Co., Ltd., Shenyang 110000, China)

In the paper, the reasons of current long-distance water conveyance pipeline accident are comprehensively summarized. Accident reasons are deeply discussed. The lowering accidents countermeasures of long-distance water conveyance pipeline are proposed in a targeted mode.

long-distance water conveyance pipeline; accident; causes and countermeasures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.12.016

TV672+.2

A

1005-4774(2016)12- 0061- 03