韓福濤
(中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 230601)
隨著我國國民經濟的快速發(fā)展,人民生活水平逐漸提高,對各種自然資源的需求也越來越多。如今不少城市的水資源日益緊缺,全國各地長距離輸水工程逐漸增多。安徽省某輸水工程位于皖北平原,設計流量5.0m3/s,管線長度約32.0km,在管道末端建設調蓄水庫。本文重點研究該工程前期設計期間的六個問題。
管線布置一般按以下原則確定:(1)應結合現(xiàn)場調查的實際地形地貌,了解城市道路管網規(guī)劃,在不妨礙工程管線正常運行、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、溝渠時盡量正交;(4)管線縱向布置結合管道水力過渡過程研究成果確定,正常輸水條件下,管道最小內水壓力包絡線,應高于管頂不小于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。同時管道運行期間,上覆土層仍在進行土地耕種等生產活動,要求管道除具備較高的抗內壓強度外,還應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、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)等,管材選用應根據(jù)其設計內徑、設計內水壓力、敷設方式、外部荷載、施工和材料供應等因素,通過技術、經濟、安全等方面綜合比較確定。
鋼管是傳統(tǒng)的輸水管材,特點是耐高壓、耐振動、質量輕、單管長度大和接口方便,穿過多變地形或鐵路、河谷時通常作為首選。但承受外荷載的穩(wěn)定性差,耐腐蝕性差,管壁內外都需有防腐措施,而且造價較高。
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,伸長率大,強度高,性能與鋼管相似,具有柔韌性,適應突發(fā)力強,且抗彎強度比鋼管大,使用過程中管段不易彎曲變形,能承受較大負荷,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,適應基礎不均勻沉陷。
PCCP 管是一種鋼性管材,它是帶有鋼筒的高強度混凝土管芯纏繞預應力鋼絲,噴以水泥砂漿保護層,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式膠圈的柔性接頭,是鋼板、混凝土、高強鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復合結構,具有鋼材和混凝土各自的特性。PCCP 管具有合理的復合結構、承受內外壓較高、抗裂及抗?jié)B能力好、接頭密封性好、抗震能力強、施工方便快捷、防腐性能好、維護方便、運行費用低、適用范圍廣等特性,被工程界所關注,廣泛應用于各類工程建設中。
長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。該工程建有調蓄水庫,選用一條。
前期設計中綜合比選了以上三種管材,最終確定選用單條PCCP,內徑2.0m,流速為1.59m/s。
水頭損失計算是平原區(qū)長距離輸水的重要內容之一,因泵站的設計揚程一般不大,而水頭損失可能是設計揚程的數(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《室外給水設計規(guī)范》(GB 50013-2006)中的公式(7.2.2-2)計算:
參照該規(guī)范,管道計算時,y 取1/6,n 的取值范圍0.011~0.0125??紤]到類似工程的經驗和該工程的實際運行特點,隨著管道運行時間的增加,n值一般會逐漸增加直至穩(wěn)定;實際運行中可能會有污物附著于管壁,造成n 值增大,綜合以上因素,該工程n 值設計時取0.0125;當選定水泵后,對水泵在n 值在0.011~0.012 范圍進行校核,以驗證水泵是否能正常工作。
局部水頭損失按照以下公式計算:
經計算,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計揚程為8.55m,水頭損失是設計揚程的4.05 倍。此外,水泵選型時尚需考慮泵房內部水頭損失、管道出口壓力等。
根據(jù)相關規(guī)范要求和工程特點,該工程設置了排水閥井、檢修閥井、流量計井、調壓塔井、空氣閥井、出口閥門井等設施。
該工程管路長度約32.0km,輸水管線設置檢修閥門用于事故時分段放水檢修,根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術規(guī)范》(CECS193:2005)的規(guī)定,每5~10km 宜設一處檢修閥。該工程需跨越4 條河流和多條大型渠道,根據(jù)工程特點和規(guī)范要求,將管路分成5 段,約6 公里設置一處檢修閥,共設置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,設置排水閥。根據(jù)檢修閥井的設置和管路的分段,在每段的管路低處設置排水管閥,在兩個檢修閥之間管段,每段設置2 處排水閥井,全段管路共設置10 處排水閥井。
在泵房出口管路處、管路進入水庫前設置流量計,同時由于該工程管路距離較長,為監(jiān)測流量變化和監(jiān)測爆管的位置,在管路中間管段亦設置流量計,共單獨設置3 處流量計。
根據(jù)水錘計算成果,宜設置雙向調壓塔井對管道進行防護設計。該工程共設置了3 座調壓塔井,井內設置雙向調壓塔、Y 型濾水器、手動蝶閥等,具體位置應根據(jù)水錘計算結果確定。
根據(jù)水錘計算成果及相關規(guī)范要求,在管路高程變化段和沿平直段每隔一定距離設置空氣閥。輸水管道在坡度小于1‰時,宜每隔0.5~1.0km 設置進氣排氣閥。該工程最終共設置空氣閥井44 處。
在管路進水庫前設置出口閥門井,井內設置液控止回蝶閥防止故障時水庫水倒流,設置流量計監(jiān)測管道末端流量。
PCCP 常規(guī)的防腐方案一般有陰極保護、無溶劑環(huán)氧煤瀝青涂層等。PCCP 防腐涂層應根據(jù)管道的重要性、所處環(huán)境條件和經濟等因素確定??睖y階段應進行管道沿線土壤和環(huán)境水的腐蝕性檢測,根據(jù)腐蝕性等級確定合理的防腐方案。
陰極保護技術適用于埋地PCCP 的腐蝕控制和防護,陰極保護系統(tǒng)分為犧牲陽極和強制電流兩種方法,通常采用犧牲陽極法,其設計、施工和運行應與主體工程同步進行。
無溶劑環(huán)氧煤瀝青綜合了環(huán)氧樹脂和煤瀝青的優(yōu)點,防腐層具有優(yōu)異的抗化學介質腐蝕和滲透性,良好的物理機械性能,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用。
PCCP 安全監(jiān)測項目應根據(jù)壓力管道的級別、結構特點和地質條件,對主要受力構件、鋼絲應力、內水壓力、位移、斷絲等項目選作。同時,施工期和運行期安全監(jiān)測設備應采取有效的保護措施,檢測儀器設置后即應取得基準值,并開始監(jiān)測,及時整理分析資料。
管道在平面轉彎處、高程縱向變化處均有較大的水壓力,做好止推設計是PCCP 輸水工程中的重要內容。鎮(zhèn)墩承受的內水推力與管道的設計壓力、截面積、轉彎角度有關,一般通過鎮(zhèn)墩的自重、土的抗力來抵消內水推力。內水推力較大時,也可考慮采用限制性接頭措施。
鎮(zhèn)墩設計時,尚應考慮地質條件、地下水位等因素,合理確定鎮(zhèn)墩尺寸,達到安全、經濟的目的。
長距離輸水工程投資大,管線布置限制因素多,水錘效應復雜,涉及的專業(yè)較多,需工程技術人員精心設計,通力配合,為工程實施打好基礎■