不同类型大口径管材在西江引水工程中的选用研究

广州市西江引水工程是列入国家《珠江三角洲地区改革发展规划纲要（2008—2020）》“建立合理高效的水资源配置和供水安全保障体系”的重点建设工程，也是广州亚运会配套的民生供水工程，其工程规模是除南水北调工程、上海青草沙工程外的又一国内特大型引水工程，取水设计规模为350万m3/d。主要建设内容有：取水泵站、配水泵站各1座，全长71.6公里管廊敷设2条各47.6公里的原水主干管，以及共计24公里的原水支管。目前我国在长距离输水工程中使用的大口径管材主要有钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）管、玻璃纤维增强塑料夹砂管（RPMP）、钢衬钢筋砼压力管，这五种管材在管材特性、输水安全性、施工难度及市场供应情况等方面都存在差异。本文以广州市西江引水工程为实例，对上述五种常用管材进行技术经济比较研究，从而选择出运行安全可靠、施工方便、造价经济的管材。
　　1 管材特性
　　1.1 钢管（SP）
　　钢管是在各行业应用广泛，具有较长的应用历史和丰富的使用经经验。城市供水用钢管通常选用Q235（中国普通碳素钢标准号）钢板制作，它的强度高，具有良好的韧性，管材及管件易加工。SP的主要特点有：
　　① 可设计性强。钢管的环向强度、弹性模量较高，可根据承受的内水压力和管顶外荷载条件，对钢管的刚度、强度和稳定进行计算，以确定适合的管径、管型和管壁厚度。
　　② 适用性强。能适应各种地质条件比选，一般情况下不需做管道基础处理；接口采用焊接，焊接质量达标情况下，不会发生渗漏；管道配件可按实际需要进行设计和制作。
　　③ 管道内、外壁需做除锈和防腐处理，长距离输水管线还可以辅以电化学保护，以延长其使用寿命。
　　④ 当内壁采用水泥砂浆衬里层时，其水力计算粗糙系数n值一般取0.013（曼宁公式）。
　　⑤ 在我国的大型长距离输水工程中，钢管被最广泛的采用。
　　1.2 球墨铸铁管（DIP）
　　球墨铸铁是一种铁、碳、硅的合金，其中碳以球状游离石墨存在。灰铁中，片状石墨对铁基质产生“割裂”作用，使之脆裂论文网。球墨铸铁中，球状石墨消除了这种作用。DIP的主要特点有：
　　① 具有较高的承压能力；密封性好；接口为柔性，抗震性能高。
　　② 具有良好的防腐性能；一般内防腐采用水泥砂浆，外防腐采用喷锌和煤沥青防腐漆。
　　③ 价格较高。
　　④ 中、小口径DIP（DN100～DN2200），在我国已具备大批量生产能力，因而使用广泛，但大口径国内生产厂很少。
　　1.3 玻璃钢夹砂管（RPMP）
　　全称为玻璃纤维增强热固树脂夹砂管（简称RPMP），主要有玻璃长纤维缠绕夹砂和玻璃短纤维离心浇铸加砂两种制造工艺和管型。RPMP在欧美等国家受到广泛使用，制定了完善的管道产品标准和工程设计、施工安装规范。我国的制造厂从1980年开始从意大利、美国等引进生产技术和流水线，国内也自行开发了生产工艺和设备。RPMP的主要特点有：
　　① 薄壁弹性管，其环刚度为主要控制指标，一般埋地管环刚度采用5000～7500N/m，特殊地段（穿越公路等）需采用10000N/m。
　　② 内壁光滑，设计粗糙系数n值一般取0.010（曼宁公式），同等管径比其他管材可输送更多的水量。
　　③ 承受内压高，缠绕式管型最大可承受水压达6MPa。
　　④ 不需做防腐层。
　　⑤ 重量轻。
　　⑥ 接口一般为承插口橡胶圈止水柔性接口，抗震性能较好。
　　⑦ 管道配件目前国内制造厂还没有流水线机械化生产能力，一般为手工制作。
　　⑧ 通常需做砂垫层管道基础，需保证管道两侧管槽回填料的密实度，一般控制在95%左右，因此，对于我国的南方地区一般需用砂回填，使工程费用提高。
　　⑨ 国内制造厂已具备大口径（DN1600～DN3000）的生产能力，但实际工程应用以中、小口径为主，缺乏大口径管道的使用经验。
　　1.4 预应力钢筒混凝土管（PCCP）
　　PCCP内部嵌置一层1.5mm左右的薄钢筒，在管芯上缠绕环向预应力，采用机械张拉缠绕高强钢丝，并在其外部喷水泥砂浆保护层。该管的特点是由于钢套筒的作用，抗渗能力好。管径范围：DN1400～4000，具有SP和PCP双重优点。PCCP的主要特点有：
　　① 高强度。由于复合结构的特点，国内应用的工作压力达2.0Mpa，覆土达12m。
　　② 高抗渗性。薄钢板起到高抗渗的作用比选，最优化地利用钢材和混凝土。
　　③ 高密封性。采用钢制套环和滑动胶圈接口，密封性得到保护。
　　④ 耐久性强。管体表面不需防腐涂料，而钢筒由水泥混凝土包裹，受到碱性游离石灰的保护，延长了寿命。
　　⑤ 接口尺寸精确。可使用限制接口（Restrained joint），可免去支墩，安装方便，加快了施工进度。
　　⑥ 一般不需养护，工程造价和维护费用低。
　　⑦ 重量大，为几种管材中最重，需做管道基础和修筑较高等级的施工运输临时便道，运输成本较高。
　　⑧ 管件（弯头、排水三通、排气三通）采用通常的钢制配件再在内外壁喷涂水泥砂浆论文网。
　　1.5 钢衬钢筋砼压力管
　　钢衬钢筋砼压力管道结构是近十几年发展起来的一种新型管道结构形式，它采用内衬钢筒来承受巨大的内水压力，而外包钢筋混凝土承受外荷载如汽车荷载以及覆土荷载等，因此它充分发挥钢材抗拉和混凝土抗压的材料性能，具有很大的刚度，国内外很多水利水电工程的大口径管道采用了此种管道结构形式。钢衬钢筋砼压力管由于外包混凝土比重较大容易满足抗浮要求，而适于浅埋。钢衬钢筋砼压力管所需要的基础处理要求基本与PCCP管相同，与PCCP管道相比，其主要特点有：
　　① 当管道埋深不受市政特殊要求时，仅考虑700mm覆土便可（个别地段经处理后外露亦可），从而可减少基坑深度，减少施工费用，有利于地下水位高和附近有建筑物的地段施工。
　　② 基坑截面较小，挖填土方量及征地宽度减少，施工难度减少。
　　③ 管材吊运的重量轻，大大减少吊车吨位和基坑边的施工荷载，减少基坑的支护用料和施工便道的等级。
　　④ 钢衬钢筋砼压力管两端要加肋环，保证对接焊口间的圆度，同时需增加中部活动内撑，以满足运输和浇筑混凝土时的刚度要求。
　
　2 输水管道安全性
　　西江引水工程输水管道距离长，管径大，周边沿线经济交通繁忙，情况复杂，工程建成后将成为广州市的主要城市供水水源，因此必须选择安全性能高，寿命长的管材。
　　钢管环向强度、弹性模量较高，防渗性能较好，但是防腐性能差，使用寿命与输送的介质和管道周围的环境介质有很大的关系，如果设计时没有相应的防腐措施比选，施工、运行维护不当，则达不到预期的使用年限，且接口的焊接施工要求较高，现场焊接质量控制难度较大，以往发生的钢管爆漏事故中，损坏点基本都在焊口位置。
　　球墨铸铁管强度高、接口可靠，安全性能较好，但由于材料特性和生产工艺的限制，国内生产的最大规格为DN2600，不能满足本工程输水管径方面的要求。
　　夹砂玻璃纤维管的管壁强度低，机械强度差，抗冲击性差，尤其不宜设于剪力集中位置，对于长距离大型输水管工程安全系数偏低，实际工程应用以中、小口径为主，缺乏大口径管道的使用经验。同时由于玻璃钢管为柔性管，管道本身承受外荷载能力较差，所以对基础处理和施工回填要求高，实际施工时控制困难，易因施工质量影响工程总体质量。
　　PCCP管有良好的抗渗性及耐久性，由于构成PCCP的所有钢材都被密实的混凝土或水泥砂浆所包裹，经防腐处理得承口钢圈和插口钢圈安装后其外露部位均进行保护，混凝土或砂浆提供的高碱性环境使得包裹在PCCP内部的钢材纯化而不会发生腐蚀，因而使PCCP具有良好的防腐蚀性能，一般能达到60年以上。
　　经计算，钢衬钢筋砼压力管的内衬钢筒外包300厚钢筋砼结构在覆土深度为0.7米的情况下能够满足管道本身的强度、刚度、稳定等各项要求以及抗浮稳定。同时，由于外包混凝土的存在使得钢衬钢筋砼压力管的刚度较大，即使在汽车荷载与覆土荷载的共同作用下变形亦很小，满足管道的变形限制要求。
　　综上所述，从管道安全性方面考虑，钢衬钢筋砼压力管和PCCP管优势最为明显，钢管及球墨铸铁管次之，夹砂玻璃钢管较差。
　
　3 管材市场供应情况
　　本工程规模较大，线路较长，且工期较紧，管材的市场供应能力是管材选用必须考虑的问题之一。
　　3.1 钢管（SP）
　　钢管是一种在各行业广泛应用的管材，属市场常见管材。钢管生产厂众多，国内各大城市均有成规模的生产厂，技术成熟可靠，市场成熟，市场供应充足比选，价格可以形成有效竞争。
　　3.2 球墨铸铁管（DIP）
　　我国球墨铸铁管生产企业众多，主要集中在辽宁、山东、河北、华东等地区，而华南、西南、西北地区的球管生产企业相对较少。目前国内中小口径球墨铸铁管（DN100～DN1800）技术成熟，已经具备大批量生产能力，使用广泛，管道价格也相对较低，但大口径球墨铸铁管国内生产和使用均较少，价格也较高。
　　3.3 玻璃钢夹砂管（RPMP）
　　玻璃钢管自上世纪八十年代引入中国后，经过二十余年的发展，已经成为国内供排水管线常用管材之一。国内的玻璃钢管生产厂众多，生产规模和产品质量参差不齐，主要采用长玻璃纤维加砂缠绕工艺制成，基本规格为DN150～DN4000，工作压力为0.6～4.0MPa，已具备大口径（DN1600～DN4000）生产能力，但实际应用以中小口径为主，缺乏大口径的使用经验。管道配件流水线机械化生产能力还相对薄弱，一般手工制作。
　　3.4 预应力钢筒混凝土管（PCCP）
　　我国的PCCP起步较晚，但引进技术、设备起点高，近几年，国内PCCP管迎来了一个大发展。从理论、制造、运输、施工到各种困难的克服处理，都在不断摸索和提高，为PCCP管的推广应用奠定了坚实的基础。从生产企业来看，目前国内较大的PCCP管道制造企业都具备了大规模生产大口径PCCP管的实力，且近年都有较好业绩。
　　3.5 钢衬钢筋砼压力管
　　由于钢衬钢筋砼压力管的内衬钢管外包300厚钢筋砼结构，所以管材主要以钢管为主，市场供应情况可参见见本文3.1节钢管。
　
　 4 管材施工技术分析
　　西江引水工程管线口径大，安全性要求高，是否具备成熟可靠的施工技术，也是管材选择必须考虑的重点之一。
　　4.1 钢管（SP）
　　 钢管施工一般采用现场焊接形式，技术较成熟，由于重量适中，管材特性可方便的切割和连接，管道配件可以按需要进行制作，对复杂现场条件和各种地质条件适应性强，在现场焊接技术得到有效控制的情况下，可以确保不会发生渗漏。钢管敷设时，必须采取适当的钢管内外壁防腐措施，施工过程中，应注意对防腐层的保护。
　　4.2 球墨铸铁管（DIP）
　　球墨铸铁管一般采用橡胶圈密封，承插接口比选，密封性好，施工技术成熟，重量适中，对地质条件实用性较强，一般需要做简单的管道基础，施工速度较快。
　　4.3 玻璃钢夹砂管（RPMP）
　　玻璃钢管一般采用橡胶圈密封，承插接口，密封性好，施工技术较成熟，重量很轻，对地质条件适用性较强，一般需要做简单的管道基础。玻璃钢管对于施工现场的管理、回填土的粒径要求较高，对于回填质量要求很高，是目前各种管材中要求最高的一种，南方地区一般需用砂回填，使工程费提高论文网。玻璃钢管单根长度较长，且重量小，不需防腐处理，因此施工速度较快。
　　4.4 预应力钢筒混凝土管（PCCP）
　　PCCP管一般采用双橡胶圈承插接口，施工技术较成熟，密封性好。由于PCCP管是半柔性接口，要求管道基础局部变形不应过大，对于软弱土地基，一般情况下PCCP管需用砂垫层做管道基础，管道基础下需根据土质状况进行适当的处理，以提高土壤的承载能力，减小管线通水运行后的沉降量。管道两侧管槽回填料的密实度要求低于玻璃钢管，可以使开挖后的土壤得到更多的回填利用，有利于提高工程建设进度、降低工程造价和对环境的影响。
　　由于PCCP管重量较大，因此对施工机械的要求是几种管材中最高的，目前PCCP管旋工常采用大型龙门吊或大型履带吊车，两者各有利弊，一般根据旋工企业的自身机械设备情况、经验和现场地形条件、土质状况等综合选用，根据目前国内实际情况，大规格的PCCP管道吊装机械已经比较常见，不会成为制约因素。
　　大口径PCCP采用双O型橡胶圈止水，密封性能高，接口带有试压点，安装后可用每个接头逐一单独试压，有利于保证施工质量。
　　大口径PCCP管道配件（弯头、排水三通、排气三通等）一般采用现场制作，制作周期相对较长比选，但如果施工管理得当，不会对工期造成影响。
　　4.5 钢衬钢筋砼压力管
　　一般情况下，钢衬钢筋砼压力管的施工步骤是：管沟开挖——基础处理——浇筑底板砼——安装（焊接）钢管——扎上部钢筋网片和支模板并浇筑砼——回填。为加快施工速度，可将侧壁钢筋与顶板钢筋整体绑扎，形成钢筋笼，待内衬钢筒安装就位后吊装整个筋笼与底板预留钢筋绑扎连接。
　　4.6 施工进度比较
　　西江引水工程工期紧，要求高，管道工程的施工进度将是影响整个进度的一个比较重要的环节。
　　钢管的连接采用焊接方式，根据以往工程经验，管径在DN2200以上的管道每道焊口焊接时间一般不少于24小时，即使多道焊口同时焊接，施工时间也较长。
　　玻璃钢管一般采用两道O形密封圈或反力弹性密封环两种连接方式。安装方便、密封性、耐腐性好，接头可在小角度的范围内任意调整管线的方向。
　　PCCP管接头采用滑动O型胶圈密封，安装时沿承插滑动O型胶圈密封，其钢质承口圈和插口圈，加工尺寸精度高，承口呈钟形，具有安装自定位的作用；插口是带有单凹槽或双凹槽的特制型钢，密封橡胶圈按照与胶槽等断面设计，填充在凹槽内，安装好以后的橡胶圈受双向挤压，形成很好的密封力，PCCP接头安装后，一般都能一次打压成功，滴水不漏。这种型式的接头可以承受高达3．0MPa以上的水压力。根据类似工程经验，每个施工作业面每天可安装PCCP管道约12根，根据不同的管径和管节长度每日安装进度约50～80米，施工速度较快。
　　通过上述管道连接安装方式的比较可以看出，PCCP管和夹砂玻璃钢管的安装旋工较为方便，施工方式也有保证。钢管的焊接方式耗时长，而且焊接质量易受现场气候因素及施工条件的影响。钢衬钢筋砼压力管施工耗时最长。
　
　5 管材比选及结论
　　现按照各种管材的特性、口径适应范围、施工造价、施工要求和施工条件以及国内外实际应用的情况、管材制造供货等方面进行综合比较，以合理地选择管材。
　　5.1 管材特性比较
　　从水力条件而言，玻璃钢夹砂管最优，糙率系数为0.001；PCCP管居中，内衬水泥砂浆防腐的钢衬钢筋砼压力管、钢管和球墨铸铁管相当，糙率系数约为0.013。从管材的工程力学特点考虑，钢管适用性最强。钢管环向强度、弹性模量较高，可承受较高的内水压力和管顶外荷条件，能适应各种地质条件，一般情况下不需做管道基础处理。钢衬钢筋砼压力管由于浇筑底板砼且外包混凝土，故承受较高的内水压力和管顶外荷条件。球墨铸铁管承受外压的能力比钢管差比选，道路以下埋深相对较浅时应做加固处理，球墨管为柔性接口，管道转弯处需设支墩，以防接口脱落。PCCP管是半柔性接口，要求管道基础局部变形不应过大，在砂夹石的管基上应作砂垫层，在松软粘土层上应作砂石过渡层。玻璃钢管相对而言壁薄，为柔性管道，对基础与回填要求较高。从管道的使用寿命而言，钢衬钢筋砼压力管使用寿命最长，球墨管、玻璃钢夹砂管、PCCP都也可以达到50年以上，钢管的使用寿命取决于防腐层施工质量和运行维护水平等因素，随着现代防腐技术的发展，钢管的使用寿命也得到了极大的提高。从管材的生产运输灵活性而言，钢管及其管配件可工厂生产或现场制作，接口采用就地焊接，运输和施工安装方便。球墨管、玻璃钢管和PCCP管材和管配件都需工厂定做。玻璃钢管重量轻，运输方便。PCCP管自重最大，运输较为困难。
　　5.2 口径范围、管材制造供货及国内应用实例等比较
　　钢管设计制作方便，口径范围广，在大量供水工程中得到了广泛应用，在长距离输水工程中钢管的使用积累了最为丰富的经验论文网。
　　大中口径球墨铸铁管，国内生产规格一般不超过DN2600，实际应用超过DN2200的较少，能制造的厂家也不多，缺乏市场竞争力，价格高。我国城市供水管网中，铸铁管占80％以上，但口径多为DN300～1200mm之内。球墨管在大口径长距离引水工程中使用较少。
　　玻璃钢夹砂管国内已具备大中口径的生产能力(DNl600～ DN3000)，制造工艺为纤维缠绕型，但在城市给水工程中应用较少，以DN1600及以下口径较为成熟，大于DN1600以上实际应用很少。
　　预应力钢筒混凝土管（PCCP）国外实际使用最大口径己达6.4m以上。到目前为止，国内PCCP管规格范围从DN600到DN4800，适用工作压力最高达1.6MPa，最大覆土深度达10m以上。近几年国内应用长距离大口径PCCP的主要工程如下表所示。
　　PCCP管在长距离输水工程应用情况统计表
　　

序号	工程名称	长度 （km）	管径 （mm）	备注
1	万家寨引黄工程（太原支线）	44	DN3000	运行
2	哈尔滨市磨盘山水库供水工程	180	DN2400/2200	运行
3	南水北调东线（北京段）	55	DN4000	运行
4	辽宁大伙房引水工程	253	DN3200/2400	在建
5	深圳市东部供水水源二期工程		DN3600	在建

上述己竣工通水的工程迄今为止未因管道质量问题发生过事故，显示出了该管材的供水可靠性，为长距离输水创造了有利条件。
　　5.3 管材造价比较
　　根据广东省最近的材料价格、埋管设计和施工方案，钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）、玻璃钢管（RPMP）和预应力钢筒混凝土管（PCCP）4种管材的单位长度埋管的工程造价趋势见下图。
　　
Fig.1 Cost of differentkinds of pipes
　　












5.4 结论
　　综合以上因素考虑，玻璃钢管应用于压力供水以DNl600及以下口径较为成熟，大于DNl600以上实际应用很少。结合西江引水工程所在地区地形地质状况分析比选，管线沿线地形和地质条件变化复杂，管线沿线障碍较多，玻璃钢夹砂管适应性不强，故此不推荐采用。
　　由于制造技术、能力等方面原因，国内能生产的大口径球墨铸铁管（DN2200～DN2600）价格居高不下，比钢管和PCCP管要高出许多，国内能制造的厂家也不多，生产能力均有限，市场缺乏竞争力。虽然可以采取国际竞争投标形式，但从国外进口，考虑各种运输费用和相关税费后，价格还会有较大增加，大口径球墨铸铁管经济性不具有优势。
　　结合本工程特点，从管材性能、管道造价、市场情况和实际使用状况等综合分析，适合的大口径管材（DN3200以上）有钢管和PCCP管。考虑到管线沿线总体来说交通运输条件较好，地质条件也可以满足大口径PCCP管的要求，且PCCP管埋管单位造价较钢管低，因此大口径（>DN3200）输水管道的主管材推荐采用PCCP管，局部穿越障碍（道路、河流）工程采用钢管。
　　对于配水支线管道，由于管道基本在广州市区道路边缘及道路上敷设，考虑管道的运输及安装条件，配水管道管材均考虑采用钢管。其中DN3200和DN2800管道采用钢衬钢筋砼压力管，DN2400和DN2000采用钢管。