某水库输水工程线路管材及管径比选分析

樊文林，黄再坚

（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550001）

1 工程概况

某水利工程位于中国贵州山区，水库工程等别为Ⅲ等，工程规模属中型，分为水源工程、输水工程两个部分，工程主要任务是给甲县城供水，年总供水量为4.50×107m3，其中设计城市供水（P=95%）水量4.30×107m3，下游村镇供水（P=95%）水量1.70×106m3，下放环境水量8.90×106m3，输水设计流量1.80 m3/s，线路总长约14 km，其中泵站提水管线长度约6 km，重力流管线长度约8 km。

2 管径的比选分析

提水管道经济直径按下式确定：

式中：Q-管道输水流量（m3/s）；V-经济流速（m/s）。

根据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》，管道设计流速宜控制在经济流速0.90～1.50 m/s，所以自流管线管道选择DN1400，对应流速为1.17 m/s，满足要求。

《泵站设计规范》中供水系统供水管内流速宜按2～3 m/s选取，供水泵进水管流速宜按1.50～2 m/s 选取，《室外给水设计规范》中水泵吸水管设计流速宜为0.70～1.50 m/s，出水管设计流速宜为0.80～2.50 m/s，鉴于规范规定的流速不同且为范围值，需要对不同流速对应的管径进行经济分析。

泵站提水总扬程由净扬程加管道水头损失组成，由于多数提水管道较长，管径的变化对水头损失影响大，提水管道不同管径水损见表1，从而可能导致提水费用过高而不经济，所以提水管道管径应进行经济指标比选，投资比选见表2，其中提水费根据年提水量结合提水扬程计算泵站提水耗电量指标，根据《省发展改革委关于贵州电网2020-2022年输配电价和销售电价有关事项的通知》，变压器35 kV、工商业及其他用电、两部制对应的电价按照0.52元每度计算。一级泵站进水管、上水管和二级泵站上水管共按6 km考虑，管材按钢管（见下文管材比较分析）。提水费按照建筑物使用年限50年进行折现。经计算并结合管壁厚度需大于D/130，得到不同管径对应的壁厚为10、11、12、13、13、14、15 mm，经验算抗外压，DN1300（t=12 mm）时，不满足要求，需要增加加劲环。经市场调研咨询，钢管管材费用按9 266.46元/t，并考虑247.44元/m的敷设费用。经比较分析，一级、二级泵站提水管道的最经济管径为一级泵站进水管、出水管管道管径为1 400 mm，二级泵站出水管道管径为1 400 mm。

表1 提水管道不同管径水损表（管材按钢管）

表2 提水管道不同管径投资对比表（管材按钢管）

3 管材的比选分析

3.1 重力流管

根据工程的具体情况，水头较高，管道压力较大，进行管材、设备的比选优化，原则上应选用造价经济、性能可靠、施工方便、运行安全、耐腐蚀性强、使用寿命长、后期维护费用低的管材。此工程输水管道采用重力式和加压式提水方式，其中，重力式输水管道为一级泵站高位水池至二级泵站进水池之间的管道。加压式输水管线有：一级泵站进、出水管及二级泵站出水管。

一级泵站高位水池至二级泵站进水池之间超过8 km的重力式输水管道，沿线地形起伏较大，局部坡度较陡，最大工作水头约200 m，对于混凝土管，由于管材易破碎、施工难度大，且承压低，故不予以考虑。对于PE管，目前国内生产的公称压力1.25 MPa以上的PE管最大外径仅为630 mm，且造价较高，不能满足设计要求，故也不予以考虑。因此，输水管道采取钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管及预应力钢筒混凝土管材（PCCP）进行比较。

钢管的特点是强度高，承受工作压力较高，管材及管件易加工，管厂建设周期短；敷设方便，适应性强，特别是地形复杂的地段，采用钢管较方便。但钢管的刚度小，易变形，衬里及外防腐要求严，必要时需作阴极保护，其接口形式比较灵活，可焊接、法兰、丝扣以及特制承插口，一般为刚性连接。

球墨铸铁管的特点是球墨铸铁管承压能力高，其延伸率、刚度、抗拉强度均较大，管件规格齐全，能适应各种安装需要；球墨铸铁管接口通常采用承插口，系柔性接口，拆装方便，承受局部沉陷能力较强，可在管内有少量余水的情况下维修；球墨铸铁管通常外表防腐首先喷涂锌层，再喷沥青保护，其管壁内衬水泥砂浆，耐腐蚀能力强于钢管，但弱于非金属管道；一般有50年的使用寿命，但自重大，现场施工有一定难度。

玻璃钢管的特点是管道糙率较小，输送流体的压力损失小，同等管径情况下可提高输送能力20%以上；玻璃钢管重量轻，安装容易；玻璃钢管的连接可采用承插式或法兰式，为柔性接口，现场安装方便；该管材抗腐蚀性、抗老化性能较差，局部抗冲击能力较差，可根据埋设环境选用不同种类的玻璃钢管。但玻璃钢管由于管壁较薄，对基础与回填要求较高，对贵州山区地形适应能力差。

预应力钢筒混凝土管材的特点是这种类型的钢管首先刚度很高，不会轻易发生变形或者是折损的情况；密封性能很好，并且还具有很强的承载力；具有很强的抗渗透性，使用时间相对来说较长，维护和运行成本相对较低；这类管材在安装的时候需要配套的加工管的配件，使用灵活性不够；管材自重很大，在运输或者安装的时候都是需要大型的起重机和车辆配合。PCCP管材不管是吊装费用还是运输成本相对来讲都比较高，对于贵州山区地形适应性差，不建议使用该管材。

综上考虑各种管材的优缺点，结合本工程输水管线路长，管径大小不一的特点、内压、外部荷载和管材的供应等条件，从工程的运行安全性、耐久性、施工和维护管理、经济合理性综合管道敷设区的地形、地貌、地质情况，本阶段经过比较选择不同部位不同的输水管材料进行比选。

根据输水工程的区域特点，输水管线起伏较大，各输水管道内水压力大部分管线都超过100 m，最大水压力高度超过了200 m，根据《村镇供水工程技术规范》规定管道设计内水压力根据不同管材进行计算，见表3。

表3 不同管材的设计内水压力表

根据表3 可知，不同管材的设计内水压力值计算，夹砂玻璃钢管和PE 管的最大承压仅为1.60 MPa，而大部分管线最大工作压力超过1.00 MPa，这种管材不符合该工程输水管线的要求，只有球墨铸铁管和焊接钢管内水压力满足要求，此阶段采用球墨铸铁管和螺旋钢管进行材料比选。

管材选取应考虑施工条件、使用年限、运行维护、投资等因素综合分析。焊接钢管运输方便、快捷，特别适应山区地形，而球墨铸铁管的标准管节对进场道路要求高。其次，焊接钢管可以根据不同位置处的水头对管道的管壁厚度采取优化处理，可以进一步节省投资，而球墨铸铁管常规压力等级的主要有K8、K9、K10级，优化空间不大。同时，焊接钢管可以根据现场的实际情况，采取任意转弯角度，而球墨铸铁管的弯头基本是标准的转弯角度，施工中往往需要采取管节之间相互借转，会产生一定的管槽超挖。另外，焊接钢管经过内外防腐处理后，可以满足工程使用年限的要求。输水管道各管材计算管径价格比较见下表4，其中单价含税、含运费，管材安装单价球墨铸铁管按照225元/m，钢管按照247元/m，钢管防腐单价为100元/m2。根据计算得到钢管的投资较球墨铸铁节省约1 000万元。

表4 输水隧洞9种施工工况下每延米成本表

表4 重力流段不同管材投资对比分析表

综上述分析，结合工程投资、施工条件、使用寿命及运行管理维护等因素，同时方便后期管材招标，输水工程重力流段推荐采用钢管，并根据分段的水压力不同，优化采用不同壁厚的钢管。

3.2 泵站提水管线

单节标准长度的球墨铸铁管对地形的适应性较钢管差，同时相同管节的重量球管偏重，对于陡峭的地形运输安装均存在较大的施工难度。另外，对于泵站进出水管道，提水扬程高，一级泵站提水扬程约274 m，二级泵站提水扬程约244.50 m，其中一级泵站最大的水压力高度超过了300 m。由于水泵开启和关闭时间短，易产生较大水锤，总水头接近1.50倍水压力高度，最大达约450 m，同时水泵在开启和关闭时管道容易产生振动，不利于提水管道安全运行。另外，同类工程，提水管多数采用钢管，因此泵站进出水管道采用钢管，即一级泵站进水管、提水管和二级泵站提水管均采用钢管。

4 结论

对于输水工程的管道直径选取，规范推荐的是范围值，需要在实际的设计过程中，根据当时的物价水平，对不同的管径进行比较分析，得出既满足输水要求，又经济的管道直径。而输水工程中，可供选择的管材较多，各自的性能特点也不一样，不同的管材因受其自身特点的限制，需要满足工作压力、现场实际地形、施工条件、使用寿命、运行管理，适合吊装运输等，选择可行适用的管材，再针对可用的管材进行财务指标分析，最终得到经济投入相对较少的管材。