韓福濤
(中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601)
隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人民生活水平逐漸提高,對(duì)各種自然資源的需求也越來(lái)越多。如今不少城市的水資源日益緊缺,全國(guó)各地長(zhǎng)距離輸水工程逐漸增多。安徽省某輸水工程位于皖北平原,設(shè)計(jì)流量5.0m3/s,管線長(zhǎng)度約32.0km,在管道末端建設(shè)調(diào)蓄水庫(kù)。本文重點(diǎn)研究該工程前期設(shè)計(jì)期間的六個(gè)問(wèn)題。
管線布置一般按以下原則確定:(1)應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的實(shí)際地形地貌,了解城市道路管網(wǎng)規(guī)劃,在不妨礙工程管線正常運(yùn)行、檢修和合理占用土地的情況下,使線路短捷;(2)盡可能沿現(xiàn)有、規(guī)劃公路布置,以利于施工、管理及維修;(3)管線穿越鐵路、公路、河流、溝渠時(shí)盡量正交;(4)管線縱向布置結(jié)合管道水力過(guò)渡過(guò)程研究成果確定,正常輸水條件下,管道最小內(nèi)水壓力包絡(luò)線,應(yīng)高于管頂不小于2.0m。
平原區(qū)輸水管道沿線多為平坦的土地,沿線村莊多,道路交叉干擾多。同時(shí)管道運(yùn)行期間,上覆土層仍在進(jìn)行土地耕種等生產(chǎn)活動(dòng),要求管道除具備較高的抗內(nèi)壓強(qiáng)度外,還應(yīng)具備較高的抗外壓水平。
管線一般可供使用的管材有:鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)等,管材選用應(yīng)根據(jù)其設(shè)計(jì)內(nèi)徑、設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、敷設(shè)方式、外部荷載、施工和材料供應(yīng)等因素,通過(guò)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等方面綜合比較確定。
鋼管是傳統(tǒng)的輸水管材,特點(diǎn)是耐高壓、耐振動(dòng)、質(zhì)量輕、單管長(zhǎng)度大和接口方便,穿過(guò)多變地形或鐵路、河谷時(shí)通常作為首選。但承受外荷載的穩(wěn)定性差,耐腐蝕性差,管壁內(nèi)外都需有防腐措施,而且造價(jià)較高。
球墨鑄鐵管利用離心力鑄造成形,管壁致密,石墨形態(tài)為球狀,基體以鐵素為主,伸長(zhǎng)率大,強(qiáng)度高,性能與鋼管相似,具有柔韌性,適應(yīng)突發(fā)力強(qiáng),且抗彎強(qiáng)度比鋼管大,使用過(guò)程中管段不易彎曲變形,能承受較大負(fù)荷,材料耐腐蝕性好,一般不需作特殊防腐處理,其接口為柔性接口,具有伸縮性和曲折性,適應(yīng)基礎(chǔ)不均勻沉陷。
PCCP 管是一種鋼性管材,它是帶有鋼筒的高強(qiáng)度混凝土管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲,噴以水泥砂漿保護(hù)層,采用鋼制承插口,同鋼筒焊在一起,承插口有凹槽和膠圈形成了滑動(dòng)式膠圈的柔性接頭,是鋼板、混凝土、高強(qiáng)鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),具有鋼材和混凝土各自的特性。PCCP 管具有合理的復(fù)合結(jié)構(gòu)、承受內(nèi)外壓較高、抗裂及抗?jié)B能力好、接頭密封性好、抗震能力強(qiáng)、施工方便快捷、防腐性能好、維護(hù)方便、運(yùn)行費(fèi)用低、適用范圍廣等特性,被工程界所關(guān)注,廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程建設(shè)中。
長(zhǎng)距離輸水工程一般保證率要求較高,供水管道不宜少于兩條。該工程建有調(diào)蓄水庫(kù),選用一條。
前期設(shè)計(jì)中綜合比選了以上三種管材,最終確定選用單條PCCP,內(nèi)徑2.0m,流速為1.59m/s。
水頭損失計(jì)算是平原區(qū)長(zhǎng)距離輸水的重要內(nèi)容之一,因泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程一般不大,而水頭損失可能是設(shè)計(jì)揚(yáng)程的數(shù)倍。輸水管路水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失之和,其中沿程水頭損失按照《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013-2006)中的公式(7.2.2-2)計(jì)算:
參照該規(guī)范,管道計(jì)算時(shí),y 取1/6,n 的取值范圍0.011~0.0125??紤]到類(lèi)似工程的經(jīng)驗(yàn)和該工程的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn),隨著管道運(yùn)行時(shí)間的增加,n值一般會(huì)逐漸增加直至穩(wěn)定;實(shí)際運(yùn)行中可能會(huì)有污物附著于管壁,造成n 值增大,綜合以上因素,該工程n 值設(shè)計(jì)時(shí)取0.0125;當(dāng)選定水泵后,對(duì)水泵在n 值在0.011~0.012 范圍進(jìn)行校核,以驗(yàn)證水泵是否能正常工作。
局部水頭損失按照以下公式計(jì)算:
經(jīng)計(jì)算,該工程hy=31.39m,hj=3.24m。
綜上,管道的水頭損失為34.63m。該工程加壓泵站的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為8.55m,水頭損失是設(shè)計(jì)揚(yáng)程的4.05 倍。此外,水泵選型時(shí)尚需考慮泵房?jī)?nèi)部水頭損失、管道出口壓力等。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求和工程特點(diǎn),該工程設(shè)置了排水閥井、檢修閥井、流量計(jì)井、調(diào)壓塔井、空氣閥井、出口閥門(mén)井等設(shè)施。
該工程管路長(zhǎng)度約32.0km,輸水管線設(shè)置檢修閥門(mén)用于事故時(shí)分段放水檢修,根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)范》(CECS193:2005)的規(guī)定,每5~10km 宜設(shè)一處檢修閥。該工程需跨越4 條河流和多條大型渠道,根據(jù)工程特點(diǎn)和規(guī)范要求,將管路分成5 段,約6 公里設(shè)置一處檢修閥,共設(shè)置4 座檢修閥井。
為便于管道排泥和管道檢修排水以及管道爆管維修的需要,設(shè)置排水閥。根據(jù)檢修閥井的設(shè)置和管路的分段,在每段的管路低處設(shè)置排水管閥,在兩個(gè)檢修閥之間管段,每段設(shè)置2 處排水閥井,全段管路共設(shè)置10 處排水閥井。
在泵房出口管路處、管路進(jìn)入水庫(kù)前設(shè)置流量計(jì),同時(shí)由于該工程管路距離較長(zhǎng),為監(jiān)測(cè)流量變化和監(jiān)測(cè)爆管的位置,在管路中間管段亦設(shè)置流量計(jì),共單獨(dú)設(shè)置3 處流量計(jì)。
根據(jù)水錘計(jì)算成果,宜設(shè)置雙向調(diào)壓塔井對(duì)管道進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)。該工程共設(shè)置了3 座調(diào)壓塔井,井內(nèi)設(shè)置雙向調(diào)壓塔、Y 型濾水器、手動(dòng)蝶閥等,具體位置應(yīng)根據(jù)水錘計(jì)算結(jié)果確定。
根據(jù)水錘計(jì)算成果及相關(guān)規(guī)范要求,在管路高程變化段和沿平直段每隔一定距離設(shè)置空氣閥。輸水管道在坡度小于1‰時(shí),宜每隔0.5~1.0km 設(shè)置進(jìn)氣排氣閥。該工程最終共設(shè)置空氣閥井44 處。
在管路進(jìn)水庫(kù)前設(shè)置出口閥門(mén)井,井內(nèi)設(shè)置液控止回蝶閥防止故障時(shí)水庫(kù)水倒流,設(shè)置流量計(jì)監(jiān)測(cè)管道末端流量。
PCCP 常規(guī)的防腐方案一般有陰極保護(hù)、無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青涂層等。PCCP 防腐涂層應(yīng)根據(jù)管道的重要性、所處環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)等因素確定。勘測(cè)階段應(yīng)進(jìn)行管道沿線土壤和環(huán)境水的腐蝕性檢測(cè),根據(jù)腐蝕性等級(jí)確定合理的防腐方案。
陰極保護(hù)技術(shù)適用于埋地PCCP 的腐蝕控制和防護(hù),陰極保護(hù)系統(tǒng)分為犧牲陽(yáng)極和強(qiáng)制電流兩種方法,通常采用犧牲陽(yáng)極法,其設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行應(yīng)與主體工程同步進(jìn)行。
無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青綜合了環(huán)氧樹(shù)脂和煤瀝青的優(yōu)點(diǎn),防腐層具有優(yōu)異的抗化學(xué)介質(zhì)腐蝕和滲透性,良好的物理機(jī)械性能,還具有優(yōu)異的電絕緣性、抗水滲透性、抗微生物侵蝕、抗雜散電流、耐熱、耐高溫驟變等優(yōu)良性能,具有極好的防腐性能,在管道防腐方面有著廣泛的應(yīng)用。
PCCP 安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)壓力管道的級(jí)別、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地質(zhì)條件,對(duì)主要受力構(gòu)件、鋼絲應(yīng)力、內(nèi)水壓力、位移、斷絲等項(xiàng)目選作。同時(shí),施工期和運(yùn)行期安全監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)采取有效的保護(hù)措施,檢測(cè)儀器設(shè)置后即應(yīng)取得基準(zhǔn)值,并開(kāi)始監(jiān)測(cè),及時(shí)整理分析資料。
管道在平面轉(zhuǎn)彎處、高程縱向變化處均有較大的水壓力,做好止推設(shè)計(jì)是PCCP 輸水工程中的重要內(nèi)容。鎮(zhèn)墩承受的內(nèi)水推力與管道的設(shè)計(jì)壓力、截面積、轉(zhuǎn)彎角度有關(guān),一般通過(guò)鎮(zhèn)墩的自重、土的抗力來(lái)抵消內(nèi)水推力。內(nèi)水推力較大時(shí),也可考慮采用限制性接頭措施。
鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)時(shí),尚應(yīng)考慮地質(zhì)條件、地下水位等因素,合理確定鎮(zhèn)墩尺寸,達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。
長(zhǎng)距離輸水工程投資大,管線布置限制因素多,水錘效應(yīng)復(fù)雜,涉及的專(zhuān)業(yè)較多,需工程技術(shù)人員精心設(shè)計(jì),通力配合,為工程實(shí)施打好基礎(chǔ)■