大兴支线工程管道管材比选及相关参数确定

张志伟，刘玉忠，王圣文，何奇峰，冯克义，杨进新

（北京市水利规划设计研究院，北京100048）

1 概 述

南水北调中线大兴支线工程主要连通北京南干渠与河北廊涿干渠，通过调节池及加压泵站，实现供水线路双向输水，为规划新机场水厂提供双水源通道，同时亦为北京市增加一条南水北调中线水进京通道，每年可增加进京水量1.0亿～1.5亿m3，在近期河北省用水需求暂时达不到规划水量的情况下，可以通过向北京输水，进一步发挥南水北调中线工程效益。

大兴支线工程将承担连通北京市与河北省南水北调配套工程的任务，提高两地供水保证率，工程运行分为正向及反向输水，正向输水方式为自流输水，输水流量为6.1 m3/s，即南干渠及廊涿干渠水源通过大兴支线以自流方式输送至新建调节池，再经新机场连接线管道输送至新机场水厂；反向输水方式为泵站加压输水，输水流量为4.0 m3/s，工作压力为0.5 MPa，即当南干渠及廊涿干渠有一方出现事故检修情况时，另一方以泵站加压方式输送水作为应急保障水，使北京市与河北省的南水北调水互保互通。综合两种输水方式，该工程主要有9种运行工况[1]。大兴支线工程示意见图1。

图1 大兴支线工程示意

2 管道水力计算及管径确定

南干渠至调节池及廊涿干渠至调节池设计为重力流输水，根据《室外给水设计规范》（GB50013—2006），输水干管不宜少于2条，当有安全贮水池或其他安全供水措施时，也可修建1条[2]。鉴于大兴支线输水管道距离较长，建设2条管道的投资较大，其作为新机场水厂供水双水源通道，单管方案工程费用及拆迁占地费用较低等，最终确定供水方案采用单管，这对管道输水保证率提出了更高的要求。

管道的总水头损失计算公式为

式中：hz为管道总水头损失，m；hf为管道沿程水头损失，m；hj为管道局部水头损失，m。

沿程水头损失hf的计算采用达西公式[3]3：

式中：λ为沿程阻力系数，由谢才公式求得；l为计算管段长度，m；v为流速，m/s；D 为管道内径，m；g为重力加速度，m/s2。

局部水头损失hj计算公式[3]9为

式中：ξ为局部水头损失系数。

根据南干渠高家堡分水口低运行水位，北京市南水北调系统正常供水运行条件下，设计工况可利用水头为16.82 m，南干渠—加压泵站段管道水力计算结果见表1。

表1 南干渠—加压泵站段管道水力计算结果

根据表1计算结果，在输水流量（Q=6.1 m3/s）一定的条件下，输水管道总水头损失与管道糙率成正比，与管道直径成反比，鉴于设计工况可利用水头为16.82 m，考虑管道末端出口留有1.0 m左右的富裕水头，则水头损失最大限度不能超过15.82 m，当然水头损失也不能过小，过小会造成末端剩余水头数值增大，造成能量浪费，工程投资增大，因此应尽可能选择与最大水头损失相当的管道糙率及管径组合。通过分析得出，选择糙率为0.011～0.012、直径为2.40 m的输水管道作为该工程管材选取的控制参数能满足工程需要。

3 管材比选

输水工程中，管道管材的选择应根据工程规模、重要性、水质状况、系统布置、管道口径、工作压力、管道埋深、地形地质情况、施工条件、工期要求及管道生产和运输条件，结合运行维护进行技术经济综合比较后确定；应尽可能选择技术成熟、抗腐蚀性及耐久性能强的管材。另外，需要考虑事故工况水锤压力对管道的影响，根据工程实际情况选择适合的管材[4]。管材应具备抗渗性好、水力条件好、抵抗内外压能力强、施工易控制、安装运输方便、后期运行管理方便、建设成本低等特点。

大兴支线工程管道沿新凤河向西至永定河灌渠，沿永定河灌渠向南至辛庄村南，在辛庄村南向西穿永定河左堤至北京市与河北省交界，北京段全长约33.4 km，管道需沿永定河灌渠渠底敷设，所处环境较为特殊，穿越现状跨河建筑物30余座，管道大部分采用明挖施工。局部穿越现状跨河建筑物处采用非开挖顶管工法施工。鉴于工程的特殊性，对输水管道管材的要求较高，根据类似工程经验，结合目前国内管材生产及运用实际情况，选择普通钢管、涂塑复合钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管4种管材进行比选。

综上所述，第2代320排螺旋CT扫描技术采用AIDR-3D算法，联合应用自动曝光控制技术，球管旋转时间0.3 s，在不影响肝灌注参数HAF、PVF、PI值的情况下，辐射剂量较第1代320排螺旋CT机明显降低。此外，两者HAF、PVF、PI值相似说明其联合应用不影响肝脏肿瘤的随访观察。

3.1 普通钢管

普通钢管是目前大口径埋地管道中运用最为广泛的管材，国内常用最大钢管直径达4 000 mm，焊管形式有螺旋缝埋弧焊管和直缝埋弧焊管，其承受内压能力极好，制作和焊接技术已相当成熟。钢管在施工上很方便，易与任何管材衔接，在地形复杂的地段还可采用顶管工法进行施工。但钢管自身刚度小、易变形、抗腐蚀性差，管道内外均须进行除锈和防腐处理，管材价格较贵，且焊口及焊口防腐需要在现场进行，施工时组合焊接工作量大，施工质量难以保证。

3.2 涂塑复合钢管

涂塑复合钢管是以钢管为基管，在其内表面熔融涂敷一层防腐层，在其外表面涂敷塑料层或其他材料防腐层的钢塑复合产品。涂塑钢管是国内新发展的一种管道材料，整合了钢管和塑料产品的共同优点。它不仅具有钢管的高强度、易连接、耐水流冲击等优点，还克服了钢管遇水易腐蚀、结垢及塑料管强度不高、消防性能差等缺点。但涂塑复合钢管具有与钢管相同的问题，其焊口及焊口防腐需要在现场进行，采用热缩套，受天气影响较大，质量不好控制。

3.3 球墨铸铁管

球墨铸铁管原材料资源丰富，并可再生利用，对环境无不良影响，具有高强度、高延伸率、硬度低、经济可靠、耐腐蚀、寿命较长等特点，近些年被广泛应用于城镇的供水、输气工程中。球墨铸铁管大部分采用柔性接口，接口结构简单、密封性较好，承口考虑了橡胶圈的定位和偏转角问题，能适应一定的基础变形，具有一定的抗震能力。另外，利用其偏转角可实现管线长距离转向[5]。按壁厚级别系数K取值的不同，球墨铸铁管标准壁厚分为K8级、K9级、K10级、K12级。球墨铸铁管外壁采用喷涂沥青或喷锌防腐，内壁衬水泥砂浆防腐。管材为工厂直接生产、运输至现场施工，现场安装效率高，节省工期。主要缺点是价格较高。

3.4 预应力钢筒混凝土管

预应力钢筒混凝土管简称PCCP，PCCP使用经水压检验的钢筒，兼具钢材的抗拉、抗渗及混凝土的抗压、耐腐蚀性优点，所以能承受较高的内压和外荷载；承插口安装快捷、方便，接头密封性能好；耐腐蚀性高，对地基的适应性好，抗震性好；内壁光滑，不会对水质产生二次污染，输水性能好；安装方便，综合造价低，在满足抗渗性要求的前提下，其单位工程造价较低。但PCCP制造工序多，是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构，产品制造质量控制困难，修复工艺复杂；在高内水压力作用下预应力钢丝易断丝，不易维护[6]。

综上，对普通钢管、涂塑复合钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管分明挖工法及非开挖顶管工法两种情况进行了比较，见表2、表3。

3.5 常用管材经济指标对比

对符合要求的管道进行经济指标对比，管材单价通过厂家询价及市场报价综合对比确定。可知，明挖工法管材在相同管径条件下钢管与涂塑复合钢管价格相当，较PCCP价格高，相比之下球墨铸铁管价格最高；非开挖顶管工法管材在相同管径条件下钢管价格最低，PCCP次之，顶进用球墨铸铁管道价格最高。

表2 明挖工法管材对比

表3 非开挖顶管工法管材对比

4 管材及相关参数确定

4.1 管材确定

直径1 600～2 600 mm范围内管材明挖铺设PCCP管道可承受较大的内外荷载，具有较大的价格优势，但工艺复杂，制造质量难以控制；涂塑复合钢管较传统钢管在防腐、糙率和使用寿命上有较大优势，价格相差不多，且涂塑复合钢管力学性能最优、糙率低、不易结垢；球墨铸铁管安装方便，抗外压能力强，价格稍高。

根据该工程特点，鉴于供水对象重要、管线输水距离长、供水保证率要求高、通水工期紧，经多工况比选，自流及泵站加压相结合，南干渠与廊涿干渠连通管道采用单管方案，选择直径2 400 mm的球墨铸铁管作为该工程的管材，虽然管材价格较高，但工程的耐久性好、使用寿命长，适用于明挖、顶管等施工工艺，施工方便快捷，运行管理费用低。

4.2 管道内外防腐确定

球墨铸铁管常规内防腐为水泥砂浆内衬[7]，直径2 400 mm的球墨铸铁管水泥砂浆内衬公称厚度为12 mm，水泥砂浆内衬糙率较大，易对输送水质造成污染，在此条件下对内防腐形式进行了改进，水泥砂浆内衬表面喷涂一层水性环氧涂料，固化而成环氧密封层，涂料为无毒的，不会对水质产生任何有害的影响，达到了饮水级标准。改进后内衬具有优异的防腐性能，并能保证输送水质不受污染，结合了主动防腐与被动防腐的综合性能，具有长久的抗腐蚀能力。

水泥砂浆内衬及水泥砂浆内衬环氧密封层水力试验结果见表4[8]，结合工程实际情况，考虑弯头及三通等管件的影响，直径2 400 mm的球墨铸铁管水泥砂浆内衬环氧密封层糙率取值为0.012。

表4 水泥砂浆内衬及水泥砂浆内衬环氧密封层水力试验结果

球墨铸铁管外防腐采用锌层+沥青保护层。喷锌层平均不小于200 g/m2，外层采用沥青保护层，选用的填料对涂层的耐腐蚀性能无有害影响，平均厚度不小于 70 μm。

4.3 接口型式确定

球墨铸铁管接口型式主要有滑入式、机械式、法兰式等，该工程采用了滑入式T型接口及机械式K2型接口。机械式K2型是近年新出现的接口型式，该接口型式与常规接口型式相比具有不需要将管道挖开，直接在管道内部就可以更换橡胶圈的性能，免去了后期运行管理的麻烦。K2型接口主要由橡胶圈、组合圈、压圈、螺栓、垫棒组成。

4.4 管道级别确定

依据《给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程》（CECS142：2002）中球墨铸铁管管道的强度、刚度及稳定计算公式[9]，经试算，采用K10级球墨铸铁管，当管顶外荷载（水重及土重）相当于4.0 m厚覆土压力时，管道变形满足规范要求。

通过计算分析，考虑地面堆积荷载，管道明挖段覆土设计按2.0～2.5 m厚控制，局部不足部位采用包封保护，能满足管道强度及刚度要求。由此得出，大兴支线采用1-DN2400mmK10级球墨铸铁管能够满足设计及规范要求。

5 结 语

根据工程特点及特殊性，结合工期、技术可行及经济指标综合考虑后选择1-DN2400mmK10级球墨铸铁管作为大兴支线工程的管材。先期施工1 km长管道作为试验段，验证工程效果。2017年5月，大兴支线工程试验段完工并通过验收，施工期内采用明挖、顶管等施工工艺，施工方便快捷；运行至今经历了外部地面载荷等考验，一直运行良好，实践证明工程设计是成功的。直径2 400 mm的球墨铸铁管在北京市南水北调配套工程大兴支线工程中的使用填补了大口径球墨铸铁管在长距离输水工程应用的空缺，提高了大口径长距离输水管道的技术与设计水平。