呼图壁化工工业区供水管道优化设计及连接要点分析

常陆军

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

新疆自治区地处西北内陆，气候干旱少雨，区内大面积水资源匮乏，且分布极度不均，很多经济发达地区用水矛盾日益突出。因此在“一带一路”新政策背景下，设计科学合理、经济实用的供水管道、人为调节水资源平衡已成为保证该地区经济社会持续发展的必要手段。

1 工程概况

呼图壁县工业园化工工业区位于大丰镇北部，用地面积4291.74hm2。由于呼图壁县煤炭资源丰富，工业区将重点发展煤焦化、煤化工、有色金属冶炼等产业，必然会显著带动当地经济的快速发展。根据相关测算，工业区近期(2020年)需水量为1605.68万m3/a，远期(2030年)需水量为2922.68万m3/a，当地供水规模远达不到该标准，因此设计一条全长约28.1km管道，以保证工业园的日常用水。

2 工程地质条件分析

依据工程布置方案，供水管线起始于呼图壁热电厂管道预留分水口，终点至呼图壁县化工工业园区。经地质勘查得出管路沿线地形、岩性及地基土物理、力学性质等参数。

2.1 工程地质条件

项目区在地貌上处于河流冲洪积平原中上游，地面高程540～647m，地形开阔、平坦，总体地势呈东南高，北西低，管道沿线主要分布有农田、耕地、林带及渠道等。

根据勘探揭露，项目区地层主要为第四系冲洪积卵砾石及低液限粉土层，层厚0.3～2.0m，其物理力学性质见表1。该低液限粉土层具有中等压缩性，工程地质条件较差[1]。

表1 表层岩性物理力学性质

2.2 工程地质评价

2.2.1 地基土冻胀性评价

项目区标准冻深约1.5m，根据颗分试验，卵砾石中粒径小于0.075mm颗粒含量为2.1%～9.5%，为非冻胀性土；低液限粉土中粒径小于0.075mm颗粒含量为57%～87%，为冻胀性土。

2.2.2 地基土湿陷性评价

地基土湿陷性对管道建设影响较大，在此利用公式(1)计算项目区地基土总湿陷量ΔS[2]。经计算，本项目低液限粉土层总湿陷量ΔS=33.3～343mm，湿陷性范围在轻微(Ⅰ级)—中等(Ⅱ级)。

ΔS=∑β·δsi·h

(1)

式中，β—修正系数，取1.5；δsi—土的湿陷系数；h—土层厚度，mm。

2.2.3 地基土腐蚀性评价

3 供水管道优化设计

3.1 供水方案确定

3.1.1 各类管材比选

初步设计本工程管道设计输水总流量0.93m3/s，全程自压，管道首段静水压力19.11m，末端静水压力171.73m，根据管道内静水压，管道需承压0.6～2.5MPa。根据该项目管道较长、沿线交叉建筑较多、管材承压较大等特点，设计供水管材从以下3种进行选取：球墨铸铁管(DIP)、预应力钢套筒砼管(PCCP)、涂塑钢管[3]。

表2 各类管材优缺点对比

3.1.2 供水方案比选

根据沿线地质情况及不同管材特点，排除适应地基变形较差的预应力钢套筒砼管[4]。在此初步对以下3种输水管材方案进行比选，具体如下。

方案一：全程PCCP管

该方案设计全程采用PCCP管，根据需水量双管铺设，设计单管流量为0.651m3/s，管材承压范围在0.6～2.5MPa，总造价约为9108.8万元。PPCP管承压高、寿命长，完全满足使用要求。

方案二：PCCP管+球墨铸铁管

该方案设计桩号0+000—11+500为PCCP管，总长度为11.5km；桩号11+500—28+100为球墨铸铁管，总长度16.6km。双管铺设，设计单管流量为0.651m3/s，总造价约8391.9万元。

方案三：全程涂塑钢管

该方案设计全程采用涂塑钢管，双管铺设，设计单管流量为0.651m3/s，各个参数满足使用要求，总造价约9532.5万元。

从使用寿命、抗压能力等考虑，3种方案均满足要求。但桩号0+000—12+000段沿线穿越农田、道路及渠道较多，对承受外压要求高，本段宜使用PCCP管；桩号12+000—28+100段地层有一定湿陷性和腐蚀性，而球墨铸铁管具有强度高、防腐剂好、良好可挠性和伸缩性等特点，因此适宜选用[5]。所以，最终确定方案二为本项目的最终施工方案。

3.2 供水管道水力计算

3.2.1 管径确定

管径是输水管道最为重要的参数之一，决定了供水能力、工程成本等，本项目采用经济流速法确定管径d，计算公式见式(2)[6]。经计算，选用内径600mmPCCP管和球墨铸铁管即可，承压范围0.6～2.0MPa。

(2)

式中，Q—单管流量，m3/s；v—经济流速，1.0～3.0m/s；

3.2.2 管道沿程水头损失

管道沿程水头损失是由于水流与管道内壁摩擦而消耗的机械能。当沿程水头损失较大时，会直接影响单位时间输水量。沿程水头损失hf计算公式见式(3)，经计算其范围在0.0～0.32m，能够保证流速在1.3m/s，因此本项目不用中途设泵站加压。

(3)

式中，L—管长，m；Q—单管流量，m3/s；m—流量指数；f—管道摩阻系数；d—管道内径，m；b—管径指数。

3.3 球墨铸铁管连接要点分析

球墨铸铁管连接是本工程的施工重难点，在此对其连接要点进行详细说明分析。

3.3.1 密封胶圈安装

将T型承口工作面槽内杂物清理干净，检查另一支管插口和胶圈要保持干净。将胶圈装入承口凹槽(DN800以下把胶圈捏成8字型；DN800以上胶圈捏成三等分或梅花形)，给胶圈内表面和插口接触面涂以润滑油，如图1所示。

图1 密封胶圈安装示意图

3.3.2 管道连接

第一支管下沟槽时承口顺着水流方向，管径d>400mm时，采用专用设备吊入沟底。之后利用管用钢丝绳和导链拉入承口。在此注意：装配内外涂绝缘与环氧陶瓷管，绳索应套胶管，包括钩头、导链用橡胶保护，以免外壁碰伤，如图2所示。

图2 管道连接示意图

3.3.3 检查胶圈密封性

在连接完成后，需要对胶圈位置、密封性进行检查。在此利用一把薄窄钢尺，绕着插口90°四点检查胶圈压缩比(如图3所示)，本项目设计该值范围在0.4～0.6。经检查，接口胶圈合格率达到100%。

图3 胶圈压缩比检查示意图

4 结语

输水管道的铺设对于呼图壁县化工工业园区的发展扩大意义重大，管道工程完成后，可解决2030年前工业园的用水矛盾，取得了较好的经济和社会效益。在设计输水管道工程时，应紧密结合工程实际条件，本项目根据地质条件不同将工程分为2段，前半段用PCCP管，后半段用球墨铸铁管，在满足使用要求的前提下节省了成本，做到了因地制宜。