賈永生

（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司新疆分公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

庫爾勒市石油石化產(chǎn)業(yè)園業(yè)供水工程位于新疆巴州境內(nèi),水源地為庫尉水廠,供水方式采用重力流供水,供水對(duì)象為石油石化產(chǎn)業(yè)園、上庫工業(yè)園及鐵門關(guān)雙豐工業(yè)園區(qū),供水規(guī)模近期14.41 萬m3/d,遠(yuǎn)期20.00 萬m3/d,屬Ⅰ等大（1）型工程。

工程起點(diǎn)位于庫爾勒經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)工業(yè)供水工程北環(huán)路東口主管道,終點(diǎn)至石油石化產(chǎn)業(yè)園工業(yè)輸水主管線末端清水池,通過園區(qū)配水管道進(jìn)入各供水企業(yè)。本輸水工程擬新建2 根供水管道,采用雙管布設(shè),其中：左線97.00 km,右線96.98 km,合計(jì)193.98 km；新建2000 m3減壓池1座、管道末端新建3 萬m3清水池1 座；新建流量計(jì)井8 座、分水閥井14 座、排氣井262 座、排水井136 座、連通井25 座；頂管穿路54 處、架空穿渠12 處、底部穿渠220 處、底部穿柏油路56 處。

2 工程地質(zhì)條件

項(xiàng)目區(qū)位屬新疆南天山地震帶東段,自1927 年至今,共發(fā)生里氏5 級(jí)以上地震12 次。其地震動(dòng)峰值加速度為0.20 g,地震反應(yīng)譜特征周期為0.40 s,抗震烈度為Ⅷ度。管線布置區(qū)地層上部主要為第四紀(jì)全新世（Q4）素填土及角礫,下部主要為第四紀(jì)上更新世（Q3）粉土、中砂、細(xì)砂、礫砂及圓礫,管道持力層主要為粉土、粉砂,地基載力特征值fak=100 kPa~160 kPa,承載力可滿足設(shè)計(jì)要求。

管道0+000~至34+500 圍繞庫爾勒經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)布設(shè),地面坡度為5%~7%,地質(zhì)條件較好。樁號(hào)34+500 至工程末端沿庫鐵大道（規(guī)劃建設(shè)道路）進(jìn)行布置,海拔1100 m~1600 m,表層風(fēng)化強(qiáng)烈,侵蝕、沖刷、崩塌等物理地質(zhì)現(xiàn)象較多。樁號(hào)31+400至工程末端不同程度可見地下水出漏,且地下水對(duì)混凝土和鋼筋具中、強(qiáng)腐蝕性,沿線地基場地土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微-弱-中-強(qiáng)腐蝕性,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微-弱-中腐蝕性,對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。

3 輸水管材初選

在供水工程中,管材的選擇是直接影響工程質(zhì)量、使用年限和工程投資的關(guān)鍵因素［1］。

根據(jù)工程規(guī)模及現(xiàn)有工程地質(zhì)條件,本次主要對(duì)巴州庫爾勒石油石化產(chǎn)業(yè)園工業(yè)供水工程可行性的管材進(jìn)行比選,目前適合該工程的管材共6種：焊接鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、給水用高性能硬聚氯乙烯管PVC-UH管道、PCCP管道和PE管道。本文通過對(duì)管道的綜合性能指標(biāo)、工程應(yīng)用實(shí)際優(yōu)缺點(diǎn)和管材造價(jià)進(jìn)行綜合比選。

3.1 管道綜合性能指標(biāo)比選

從管道理化性能、安裝維護(hù)及發(fā)生事故后危害性等方面進(jìn)行分析,對(duì)管材進(jìn)行逐項(xiàng)比選。考慮項(xiàng)目區(qū)土壤、地下水腐蝕性較強(qiáng),而PCCP管道在該環(huán)境下,安全可靠性偏低,本次不建議使用。PE管材由于加工工藝限制,生產(chǎn)大管徑較困難、且壁厚較厚、造價(jià)極高,本次不予推薦。本次只對(duì)焊接鋼管（SP）、球墨鑄鐵管道（DIP）、玻璃鋼夾砂管道（FRPM）及PVC-UH管道進(jìn)行比選,比選情況見表1。

表1 管材綜合性能比選

從管道綜合性能比選結(jié)果看：鋼管＞球墨鑄鐵管＞玻璃鋼管＞PVC-UH管道。

3.2 工程實(shí)際應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)

3.2.1焊接鋼管（SP）

鋼管是生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟的一種管材,型式靈活多樣,應(yīng)用廣泛。其防滲性能好、抗外壓能力強(qiáng),整體性較好,安裝運(yùn)輸方便,可架空布設(shè)。但防腐性能較差,施工安裝焊接耗時(shí)長,連接完成后需進(jìn)行焊縫檢測、人工防腐,費(fèi)用較高,人為因素影響較大。

3.2.2球墨鑄鐵管（DIP）

球墨鑄鐵是由鐵、碳、硅構(gòu)成的合金。管材外壁噴涂瀝青或其他防腐材料,內(nèi)壁用水泥砂漿襯里,接口為柔性接口,拆裝方便［1］,因此該管材防腐性好、耐久性較好、防滲性能好。但只有少數(shù)廠家能生產(chǎn)大口徑管道（管道管徑通常為DN≤1400 mm）,造價(jià)較高,其接頭采用承插式,整體性相對(duì)較差、且管道自重大,對(duì)地基要求較高,施工安裝較困難。

3.2.3玻璃鋼夾砂管（FRPM）

玻璃夾砂管單根管長度較長（一般可達(dá)12 m）,接頭少,安裝方便。管道無需防腐,糟率小,水頭損失小,重量較小,但管道抗外壓一般,施工質(zhì)量難控制、管道運(yùn)輸過程易損壞,接頭漏水多見。管身爆管常見,搶修復(fù)雜,事故影響重大,變形破壞嚴(yán)重影響管道使用壽命,且管道自身安全性隨時(shí)間下降嚴(yán)重。

3.2.4硬聚氯乙烯管（PVC-UH）

適用于管徑DN400 mm~DN1200 mm的輸水工程。管材防滲性能較好,具有良好的耐腐蝕性能,無需防腐,不受潮濕水分和土壤酸堿鹽的影響,不導(dǎo)電,對(duì)電解質(zhì)不敏感。管道鋪設(shè)不需進(jìn)行任何防腐處理,內(nèi)壁光滑,糟率小,水頭損失小,衛(wèi)生性能好,整體性相對(duì)較好,施工維護(hù)簡單,施工進(jìn)度較快。但管道抗外壓較差,抗內(nèi)壓等級(jí)最大1.6 MPa,管徑越大,管材壓力等級(jí)越低。

結(jié)合管材在工程中應(yīng)用實(shí)際,對(duì)主要優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,綜合比選結(jié)果：球墨鑄鐵管＞鋼管＞PVC-UH管＞玻璃鋼管。

3.3 管道綜合造價(jià)比選

按照市場調(diào)研及廠家給出最新報(bào)價(jià),對(duì)管道進(jìn)行綜合單價(jià)分析,主要包括管材價(jià)格、運(yùn)費(fèi)（100 km）、安裝費(fèi)、陰極保護(hù)及地基處理進(jìn)行綜合比選,具體比選結(jié)果見表2。

表2 不同管材DN1200綜合價(jià)格對(duì)比表

鋼管與球墨鑄鐵管道具有良好材料性能,但兩者自重較大,相應(yīng)運(yùn)費(fèi)較高,考慮現(xiàn)狀工程土壤及地下水具有較強(qiáng)腐蝕性,鋼管需進(jìn)行陰極保護(hù),安裝費(fèi)用較高。本工程設(shè)計(jì)工作壓力1.0 MPa,該規(guī)格下的球墨鑄鐵管設(shè)計(jì)富余量較多,較大自重,會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)偏高,直接影響后期水價(jià)。

玻璃鋼管在造價(jià)與材料性能均適合本工程的使用條件,但受限于制造標(biāo)準(zhǔn)（敷層設(shè)計(jì)）獨(dú)立于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),管材質(zhì)量很難把控。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì),玻璃鋼管道的事故率遠(yuǎn)大于其它管材。若能保證玻璃鋼管的敷層設(shè)計(jì)能滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求,并保證其制造工藝完全符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),玻璃鋼管可作為本工程最佳管材。

PVC-UH管道具備優(yōu)良的抗腐蝕和力學(xué)性能,施工快,后期維護(hù)簡單,但該管道為化學(xué)材料,抗內(nèi)外壓性能有限,設(shè)計(jì)富余量較小,同比鋼管和球墨鑄鐵管需增加較多的安全防護(hù)措施。考慮到業(yè)主單位為原材料和管材的制造方,管道成本及質(zhì)量可得到有效把控,具有良好經(jīng)濟(jì)性。

通過以上管材綜合性能比選,4種管材均能滿足本項(xiàng)目供水需求,就工程應(yīng)用的廣泛性而言,優(yōu)先推薦鋼管和球墨鑄鐵管為主要管材,但是從經(jīng)濟(jì)性考慮,玻璃鋼管材具有較大的優(yōu)勢,工程投資優(yōu)化空間較大,而PVC-UH管道具有良好的質(zhì)量保證,故本次設(shè)計(jì)在符合規(guī)程規(guī)范要求的前提下,管道設(shè)計(jì)壓力小于1MPa使用PVC-UH管道作為本工程輸水管道的管材,管道設(shè)計(jì)壓力大于1MPa,選用鋼管作為本工程輸水管道的管材。

4 輸水管徑方案及減壓池位置選擇

由于工程管段總體落差較小,局部落差較大,管徑選取主要考慮水頭損失,管材承壓等級(jí)情況,需保證管道末端清水池有一定富余水頭,且要考慮遠(yuǎn)期供水規(guī)模預(yù)留部分富余管徑。根據(jù)現(xiàn)狀管線地形落差及管道水頭損失,初步計(jì)算管道管徑。

管徑根據(jù)下式計(jì)算：

式中：d為管道的計(jì)算內(nèi)徑,mm；Q為管道的計(jì)算流量,m3/s；V為管道內(nèi)水的經(jīng)濟(jì)流速,取1.0m/s。

本次采用單根輸水管道供水規(guī)模為7.2萬m3/d進(jìn)行計(jì)算,通過選用不同管徑組合以及調(diào)整減壓池位置高程,進(jìn)行水力計(jì)算,根據(jù)不同樁號(hào)段的壓力分區(qū)選取不同管材。通過組合選擇五種方案進(jìn)行比選分析,具體比選結(jié)果見表3。

表3 不同管徑、減壓池位置比選表

方案一：單根97 km不設(shè)置減壓池,均選擇PVC-UH管道De1000- 1.25 MPa。通過水力計(jì)算,重力流情況下管道末端自由水頭為-31.79 m,需增設(shè)加壓泵站,后期運(yùn)行費(fèi)用較高。

方案二：樁號(hào)5+350 處（地面高程982 m）設(shè)置減壓池,選擇PVC-UH管道De1000-1.25 MPa、De1200-1.0 MPa以及DN1200 鋼管組合。管道前20 km全部采用PVC-UH De1000-1.25 MPa,后段采用De1200-1.0 MPa和DN1200 鋼管組合方案,末端自由水頭為1.88 m,但后段壓力超過1.0 MPa管段較多,均需更換為鋼管,管材投資增大。

方案三：樁號(hào)5+350 處（地面高程982 m）設(shè)置減壓池,選擇PVC-UH管道De1200-1.0 MPa 和DN1200 鋼管組合。在方案二的基礎(chǔ)上,將管徑全部采用De1200-1.0 MPa,水頭損失小,沿線自由水頭較大,導(dǎo)致后段壓力超過1.0 MPa管段較多,均需更換為鋼管,管材投資增大。

方案四：樁號(hào)6+250 處（地面高程973 m）設(shè)置減壓池,選擇PVC-UH管道De1200-1.0 MPa 和DN1200鋼管組合。在方案三的基礎(chǔ)上,將減壓池位置進(jìn)行下調(diào),地面高程降低,后段壓力超過1.0 MPa管段相應(yīng)減少,更換鋼管的長度可相應(yīng)減少。

方案五（推薦）：樁號(hào)6+650 處（地面高程966 m）設(shè)置減壓池,選擇PVC-UH管道De1200-1.0 MPa和DN1200 鋼管組合。在方案四的基礎(chǔ)上,將減壓池位置再進(jìn)行下調(diào),找到最為合理的高程,即保證末端自由水頭,又可以大大減少后段壓力超過1.0 MPa管段長度,將更換鋼管的長度減為最少。

5 結(jié)論及建議

方案一需增設(shè)加壓泵站,后期運(yùn)行費(fèi)用較高,不采用該方案；方案二和方案三在相同減壓池位置情況下,多采用PVC-UH De1000-1.25 MPa,投資相對(duì)較低；方案三至方案五,管道均采用PVC-UH De1200-1.0 MPa和DN1200 鋼管,在調(diào)整減壓池位置情況下,方案五更換鋼管長度較少,投資較低；方案二和方案五主要區(qū)別在于更換鋼管長度和PVC-UH De1000-1.25 MPa長度不同,減壓池位置不同,方案二投資較方案五增加297.31 萬元,綜合比較方案五最為合理,而且考慮遠(yuǎn)期供水規(guī)模20 萬m3/d,本設(shè)計(jì)管徑留有一定富余,可通過加壓措施（揚(yáng)程不高）達(dá)到遠(yuǎn)期供水規(guī)模。故本設(shè)計(jì)推薦方案五,樁號(hào)6+650 處（地面高程966 m）設(shè)置一座減壓池,選擇PVC-UH管道De1200-1.0 MPa和DN1200 鋼管組合。