严寒地区大型玻璃钢管道倒虹吸工程关键技术

路强

摘要：新疆北疆供水工程倒虹吸作为国内最大口径的玻璃钢管道，技术问题非常突出，管道对原材料、铺层结构、生产工艺、现场管沟填筑等方面都有极高的要求。对国内外已建部分倒虹吸工程进行了介绍，对严寒地区大型玻璃铜管道主要设计参数确定、铺层设计、性能检测、生产工艺、现场试验、全过程质量控制等关键技术进行了研究。严寒地区口径DN3700玻璃钢管道上覆土层2.5m，管道刚度为8000N/m^2，接头刚度≥25000N/m^2，管道最大允许长期垂直挠曲变形为3%较合适。

关键词：严寒地区；大型倒虹吸；玻璃钢管道；铺层设计；生产工艺；关键技术

中图分类号：TV672

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.07.021

1工程概述

新疆北疆供水T程穿越准噶尔盆地、古尔班通古特沙漠，由输水明渠及倒虹吸组成，线路全长512km。其中小洼槽倒虹吸跨越沙漠北缘的苏鲁沟小洼槽，沟宽5.32km，沟深46.00m，两端高差为4.32m，所属地层为第四系冲洪积砂、砂岩、泥岩层。倒虹吸全长5.77km，其中管线长5.32km，一期工程设置2根管道，两端与引水明渠连接，最大静水压力为0.46MPa，管道采用玻璃纤维增强塑料夹砂管（RPM），内径3.1m。供水工程于2005年建成通水，已安全运行12a。根据供水需求的不断增长，2015年开始实施扩建工程，在原预留进出口位置增设一条相同管材的管线，内径3.7m，管压0.65MPa，形成3根管道并行的工程布置格局，总设计流量57m^3/s。倒虹吸管道剖面见图l。工程难点如下：

（1）综合难度大。按综合难度系数（综合难度系数=水头压力×管径×管长）统计，该倒虹吸扩建T程是迄今为止国内综合难度较高、管径最大的玻璃钢管道工程。超长、大管径等工程特性对倒虹吸管道的制作、安装、埋设、运行管理提出了极高的要求，特别是管道铺层设计及管道安装回填等必须确保大口径玻璃钢管道在该倒虹吸工程中安全可靠。

（2）流量变幅大。每年渠道恢复输水前，需采用小流量（1m^3/s）缓慢充水。输水流量为5～57m^3/s，流量变幅大、进出口水位落差大等水力学特性对管道充水、运行、放空等各阶段的水力安全控制技术要求高、难度大，特别需解决好高水头下的消能放空和水锤防护问题。

（3）环境气候条件恶劣。工程区地处北纬45°以上的严寒地区，冬季寒冷漫长，夏季炎热干燥，春秋季寒潮频袭，大风天气多，冬季最低气温-41.7℃，夏季最高温度40.6℃，昼夜温差为20℃左右，年际温差高達82℃。特别是管基地质条件较差，部分为膨胀泥岩和冲洪积砂，对管道的变形适应能力提出了极高的要求。

2国内外已建大型倒虹吸工程类比

近几十年来，我国先后建设了一批大型倒虹吸工程（见表1）。早期代表性工程有武山北梁渠、大圳灌区新安铺、窄口灌区焦村倒虹吸工程等。从发展趋势看，随着经济社会发展对水资源的需求和区域水资源优化配置的需要，一批跨流域调水工程陆续兴建，如南水北调、掌鸠河引水、引黄入晋工程等，倒虹吸逐步向高水头、长距离和大管径发展。从材料结构看，早期的倒虹吸工程多用混凝土和预应力钢筋混凝土材料，随着材料技术的发展，钢管、PCCP管、玻璃钢管等新型管材逐渐运用于大管径的输水工程，尤其是PCCP和玻璃钢管，其造价比钢管低，工厂化成批生产，安装方便。近年来纤维缠绕玻璃钢夹砂管道特别是大口径地下管道的应用与日俱增，目前已在大型倒虹吸工程和城市供水工程中得到普遍应用。

倒虹吸工程在国外引调水工程中应用更早、更普遍。如：以色列的北水南调工程建成于1964年，有两条倒虹吸，一条跨越深150 m凹槽，另一条跨越深50 m凹槽，主管道直径为2.2～2.8m；埃及西水东调工程建成于1997年，将尼罗河水引向西奈半岛，工程穿越苏伊士运河，修建了长750m、最高压力水头40m、流量160m^3/s、管径5.1m的大型倒虹吸工程；美国科罗拉多引水工程建成于1974年，穿越沙漠和山地达390km，共建倒虹吸144条，总长47km。

小洼槽倒虹吸在充分论证管道材料性价比和工程安全性的基础上，根据压力等级、温度、气候和工程地质条件等因素，采用玻璃纤维增强塑料夹砂管（RPM）方案，在国内大型输水工程中仅此一例。我国已建的倒虹吸工程采用玻璃钢管材的大多数为小型工程，管材采用玻璃纤维增强塑料夹砂管的更是少之又少，部分规模较大的倒虹吸工程水头及管径相对较小，大部分工程布置和制约条件相对简单，基本采用小流量变幅以适应水力控制要求。该倒虹吸由于大流量、大管径、长距离的工程特性，特别是输水流量和水头损失变幅很大，因此管道设计参数、铺层设计及性能检测、生产工艺、现场试验、全过程质量控制是工程安全运行的关键。

3严寒地区大型倒虹吸工程关键技术

玻璃钢管道是工厂化设计生产的复合材料管道，受原材料、铺层结构、生产工艺、现场管沟填筑等因素影响，无论哪一个环节出

现问题都会对管道的正常使用造成致命的危害。因此，该倒虹吸所采用大口径玻璃钢管道作为国内最大口径的管道，技术问题非常突出。

3.1主要设计参数

根据地层条件，针对DN3700管径大的特点，经多次研究确定管道刚度为8000N/m^2（通常为5000N/m^2），接头刚度≥25000N/m^2，承口和插口刚度应一致。承、插口采用双“O”形密封圈连接，密封圈材质为三元乙丙橡胶，横截面直径为38～40mm，压缩比为40%，环径比为88%。管道最大允许长期垂直挠曲变形为3%，规范规定长期竖向扰曲变形为5%，考虑到该工程管径为目前国内应用于倒虹吸工程中最大的，按5%确定管道变形为18.5cm，变形较大，因此管道设计长期竖向扰曲变形提高到3%，严格控制管道的变形。

3.2铺层设计及性能检测

（1）铺层设计。在该扩建项目之前，国内玻璃钢管道实际使用的最大直径为3.1m。为寻求大口径玻璃钢管道技术突破，进行了原材料研究、管道铺层结构研究，结构铺层设计首次采用耦合效应较小的多角度、多层次、对称式铺层设计，按一层缠绕层、一层夹砂层间隔布置，缠绕层采用多角度、多切点、高张力连续往复交叉缠绕工艺，使管道的可靠性大为提高。同时采用单向布补强技术，有效解决了定长缠绕玻璃钢夹砂管道承插口轴向强度较低的难题。DN3700玻璃钢管道铺层及承插口设计结果见表2～表5。

（2）性能检测。玻璃钢管是新型管材，为了进一步了解符合倒虹吸工程各项技术指标的玻璃钢管的各项性能指标，委托上海同济建设工程质量监测站依据标准对设计的管道进行性能检测，DN3700缠绕玻璃钢夹砂管道性能检测主要结果见表6。可以看出，检测结果满足规范的要求。

3.3生产工艺优点

（1）根据生产试验研究，对主要原辅材料、成品管检测以及生产工艺流程过程控制制定了系统的质量控制标准，该标准对确保大口径玻璃钢管道生产质量起到了关键性作用。通过计算机和PLC精确控制树脂、玻璃纤维、石英砂的材料用量，确保材料用量比例稳定，使管道的各种材料组分含量在设计范围内。

（2）管道结构层、铺层设计采用多角度交叉缠绕、承插口段采用单向布和表面毡加树脂缠绕，与小口径管道铺层设计相比，提高了管道的强度及刚度。

（3）管道内衬制作中表面毡、短切毡、针织毡3种纤维布摊铺采用机械作业，解决了人工操作搭接宽度不均一的缺陷。

（4）树脂输送采用专用泵（非气泵），输送流量大，运行工况稳定，树脂喷淋均匀。

3.4现场试验研究

由于该扩建工程DN3700玻璃钢管道是目前国内实施的口径最大管道，因此在全线安装前，在管线上进行了120m（10根管）的现场试验。现场检验管道的强度，各种荷载组合下管道的变形，以及管道的严密性，为全线工程施工提供安装回填的指标。

（1）通过试验段施工，就管沟土方开挖、管基垫层回填、管道装卸及运输、进场管材和橡胶圈查验、管道铺设中的吊装方案、连接方法及接口打压、钢制管件安装工艺和方法、管道回填中各分区回填材料、压实设备及工器具、管道竖向挠曲变形控制和监测等进行了系统的试验研究，在此基础上制定了施T和验收规程。该规程对管道安装各工序施工工艺及方法、质量标准、质量控制方法等作出了明确的规定，为顺利建成目前国内口径最大的玻璃钢管道工程奠定了基础。

（2）管腔回填材料、压实标准对控制管道竖向挠曲变形起决定性作用。试验表明，管腔回填料中含砾量越高，压实密度（相对密度、干密度）越大，对控制管道竖向撓曲变形越有利。

（3）管道腋下三角区为管道回填的薄弱区，采取人工用木棒捣实回填工艺，必须加密抽检该区域的压实密度。

3.5玻璃钢管道全过程质量控制要点

3.5.1管道制作

（1）原辅材料质量控制。生产玻璃钢管道所需主要原辅材料有树脂、玻璃纤维、石英砂三大类，各类原辅材料进厂后，不论批量大小，应检查随行材料的质量文件，并按现行规范和标准对其理化指标进行检测复核，把好原材料质量关。

（2）管道铺层设计。严格按主要技术要求精心进行缠绕铺层设计，合理制定铺层缠绕工艺，以满足直管段刚度7500N/m^2，环向拉伸强度7576kN/m，轴向拉伸强度693kN/m，初始挠曲性A水平10.5%、B水平17.5%，承插口段刚度25000N/m^2，内压环向强度安全系数大于等于7的要求。

（3）管材试验。要求具有相关资质且具有威望的检测单位对生产出来的第一根管道进行平行板外载刚度、挠曲水平、强度、巴氏硬度、树脂含量、树脂不可溶分含量、接头内压试验，根据检测结果与规范规定值进行比对，对设计结果进行验证，以确保设计满足规范要求。之后每根管道必须按照设计结果进行生产，每根管道出厂前必须进行水压试验，以确保管道质量合格。

（4）检验。按照规定的技术标准检验管材的几何尺寸及外观质量。

3.5.2管道存放、装卸及运输

管道存放时应设置不少于3道木质管枕，并在管内设置“十”字支撑（不少于4道）。安装现场临时存放管材时也可采用弧形砂枕，砂枕粒径小于20mm，宽度不小于500mm，每根管子砂枕数量不少于9道。

为了保证管材在运输过程中不发生损坏、变形，应在管材装车前封口，在管材内安设多道支撑，并将支撑连接，选择专用车辆（车上安装3道与管材同心的弧形鞍座，并在鞍座上加装厚橡胶板，用3道外套橡胶软管的绳索将管材牢固地捆扎到车辆上）运输，并采用柔软、宽松的绳索吊装，装卸过程应轻装轻放。

3.5.3管道安装及回填

通过试验段的施工，研究分析机械设备、工器具配置、施工工艺方法、质量控制方法和质量标准，为工程全线展开奠定基础。

（1）对进场的每根管道及橡胶圈均进行质量验收检查，检查的项目及质量标准严格执行规范要求。

（2）管道采用单沟单管，沟槽开挖至安装高程，应进行承载力检测，根据地质情况及承载力要求决定是否需要进行基础换填处理，严格控制轴线和管底高程，使其满足规范和设计要求。

（3）每个管道接口都要进行打压检查，检查在安装过程中止水橡胶圈是否脱槽或挤裂；在管道回填至管顶30cm以后再次对管道接头进行打压，验证回填对管接头是否产生影响，保证管道接头不渗水。

（4）管腔区范围采用砂砾料填筑，回填时管道两侧压实面的高差不超过0.3m；分段回填时，相邻段的接茬应呈阶梯状，不得漏夯，腋下三角区应用木棒人工捣实；镇墩与管身段基础应采用砂砾料或混凝土垫层过渡，以减少不均匀沉降。

（5）根据试验段调整后的压实指标控制沟槽填筑指标，在回填过程中一定要控制好逐次回填，坚持对称回填的原则，特别是管轴线以下的回填尤为重要。在管道回填过程中随时监测管道的竖向变形，在管道回填至设计标高时，控制管道初始竖向变形≤2%。

3.5.4水压试验

水压试验包括分段水压试验和系统水压试验，分段水压试验包括强度试验和严密性试验。管道采用小流量冲水后启动打压泵，以不大于0.005MPa/min的速率缓慢升压至0.2～0.3MPa，关闭注水阀浸润24h后进行压水试验。继续加压应根据分级逐步升压的方式升高至规范要求的压力等级并保压观察，按《给排水管道施工及验收规范》（ GB50268-2008）要求进行 。

3.5.5监测

埋设监测仪器对管道沿线内水压力、玻璃钢管接头、径向变形、进出口结构变形、温度、应力、管道应力、土压力、管道渗漏进行实时观测，采用安全监测自动化系统及時地了解管道运行情况，为管道安全运行提供保障。

3.5.6运行管理

在管道运行前及放空后需巡线，对管线、放空系统、进出口金属结构、机电设备及安全监测系统进行检查，对管道及设备进行定期维护，确保所有设备正常工作。在充、放水及运行过程中应严格遵守运行管理规程。

4结语

对大型倒虹吸玻璃钢管的计算参数确定、铺层设计、性能检测、生产工艺、现场试验、全过程质量控制等关键技术进行了研究，为高压力、大直径玻璃钢管道在大型倒虹吸工程的应用提供借鉴和参考。

（1）该倒虹吸采用的DN3700玻璃钢管，设计压力为0.65MPa，比实际运行工作压力提高了0.20MPa，有效地提高了管道结构的安全性。在满足安全可靠的前提下，节省了工程投资。

（2）根据生产试验研究，对主要原辅材料、成品管监测及生产工艺流程过程控制制定了系统的质量控制标准，成品管批量抽检数据充分说明，该标准对确保大口径玻璃钢管生产质量起到了关键性作用。

（3）管道结构层铺层设计采用多角度交叉缠绕，承插口段采用单向布和表面毡加树脂缠绕，与小口径管道铺层设计相比，提高了管道的刚度与强度。管道内衬制作中表面毡、短切毡、针织毡三种纤维布摊铺采用机械作业，解决了人工操作搭接宽度不均一的缺陷。

（4）从目前国内玻璃钢管的实际运用情况看，绝大部分使用在中小管道上，大口径玻璃钢管道使用实例较少，新疆供水工程中的小洼槽倒虹吸有3条5316m的输水管道，扩建工程成功地应用了直径为3.7m的大口径缠绕式玻璃钢管。DN3700玻璃钢管在国内属首次批量生产，通过生产试验研究，可为国内外类似工程提供借鉴和参考。