區(qū)域供水的成效及長距離輸水管道設計中的若干問題探討

于德強

　　摘要：區(qū)域供水模式是解決水源不均衡分布的有效辦法，而長距離輸水管道則是聯(lián)系水源和缺水地區(qū)的紐帶，本文以東莞市區(qū)域供水現(xiàn)狀為背景，結合東莞市第六水廠一期輸配水管道工程，探討區(qū)域供水的成效及長距離輸水管道設計中的若干問題，以確保輸水管道工程設計的經(jīng)濟和合理。本文主要從路由的選定、管材的比選、管道的防腐、管道的基礎處理及溝槽支護、穿越障礙物采取的措施等方面進行探討，希望對今后的設計起到借鑒作用。
　　關鍵詞：區(qū)域供水 輸水管道 管材 管道防腐

1 東莞市區(qū)域供水模式的提出及成效

1.1 區(qū)域供水模式的提出
　　東莞市北瀕東江，東江多年平均徑流總量為275億立方米，水質達到Ⅱ類水源標準，有水量充沛、水質較好的特點。上個世紀九十年代中期，東莞市加大了引資力度，經(jīng)濟快速增長的同時，由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃的排水及污水處理設施，大量廢水超標排放使河涌、山塘、水庫，水源水質急劇惡化，特別是原來作為很多鎮(zhèn)區(qū)飲用水水源的東引運河已淪為沿河各鎮(zhèn)的排污主渠。東莞市除了東江和部分水庫水源水可達標外，已經(jīng)沒有合格水源，東江已經(jīng)成為東莞市供水水源的唯一選擇，水源的水質惡化使許多鎮(zhèn)區(qū)供水矛盾日益突出，除去東江中、上游沿岸及東深供水工程經(jīng)過的鎮(zhèn)區(qū)外，其余20個鎮(zhèn)區(qū)皆存在不同程度的缺水，因此通過在東江邊取水、建設大型水廠，通過中、長距離輸水管道送往各缺水鎮(zhèn)區(qū)，實行區(qū)域供水才能解決這部分地區(qū)的缺水問題。
1.2 區(qū)域供水模式的成效
東莞市采用區(qū)域供水模式，打破了傳統(tǒng)供水模式條塊分割的局面，有效地重新配置了水資源，對保障全市供水，促進行業(yè)發(fā)展及整個社會經(jīng)濟發(fā)展起到了積極作用。
　　 ⑴有效地解決了水源水水質及水量的問題，對水資源進行了重新配置。
　　 區(qū)域供水的提出根源在于整個市域內(nèi)水資源分布不均衡，水體急劇污染，而區(qū)域一體化供水使得水資源在更大范圍進行了重新配置，有效的解決了水資源分配不均衡問題。
　　 ⑵適應了供水產(chǎn)業(yè)的特點，有效地形成了產(chǎn)業(yè)規(guī)模。
　　 供水屬于城市公用事業(yè)，是受政府管制的非完全競爭的行業(yè)，具有規(guī)模經(jīng)濟性、自然壟斷性等經(jīng)濟特點，供水企業(yè)規(guī)模大小基本決定了成本，成立一家大型水務公司進行區(qū)域供水在以下幾方面顯示了巨大優(yōu)勢：
　　 · 大規(guī)模供水工程的建設顯著的降低單位工程造價，節(jié)約了社會總成本。
　　 · 以大企業(yè)為依托，拓寬融資渠道，有效地解決建設資金不足，發(fā)展滯后的問題。
　　 · 相比小水廠工藝落后，技術人員缺乏，制水成本高，水質不穩(wěn)定，大型水廠采用先進的制水工藝設備，采用全自動化生產(chǎn)控制，有效地保證水質和降低了制水成本。

2 長距離輸水管道設計中若干問題探討

2.1 示例工程概況
　　東莞市第六水廠一期工程包括取水、凈水及輸、配水三部分。該工程作為東莞市區(qū)域供水的組成部分，主要是解決東莞市中西部區(qū)域長安等5個區(qū)鎮(zhèn)的用水緊張問題。其中，取水及凈水工程位于東莞市東城區(qū)，輸配水工程則地跨東城區(qū)、寮步鎮(zhèn)、大嶺山鎮(zhèn)和長安鎮(zhèn)。水源為東江，一期工程規(guī)模為50萬m³/d，輸水管道直徑為DN2600～DN1800，全長約39公里。
2.2 輸水管道系統(tǒng)設計
　　東莞市第六水廠一期工程作為東莞市區(qū)域供水的重要組成部分，利用長距離輸水管道將清水送往長安、大嶺山等缺水鎮(zhèn)區(qū)，一期工程采用單管，管徑為DN2600～DN1800，在線路中途預留連通位置，安裝連通閥門，待二期工程實施后實現(xiàn)雙管供水，在系統(tǒng)故障時，兩條輸水管線互為備用，以滿足70％以上保證率的要求。由于一期工程采用單管供水，在中途與東莞市另外兩個大型水廠的輸配水管道進行連通，既提高了供水安全性，也利于東莞市供水系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度。
　　 由于區(qū)域供水是一個系統(tǒng)工程，含多個子系統(tǒng)，若規(guī)劃不當，將造成建設費用增大，并影響今后的運行費用，因此規(guī)劃方案非常重要，第六水廠一期工程作為東莞市區(qū)域供水的一個子系統(tǒng)，工程建設依據(jù)以往的經(jīng)驗，即管網(wǎng)優(yōu)先建設、管徑適當放大、水廠分期建設、留有一定挖潛能力。
2.3 管材的選擇
　　由于管材占輸水管道工程投資的大部分，因此在長距離輸水工程設計時都要進行管材的比選，對節(jié)省投資、便于施工、安全運行都具有重要意義。管材的選擇一般根據(jù)工程的規(guī)模、管道的工作壓力、輸水距離的長短、工程的進度與重要性，以及工程所在地的地形、地貌、地質情況，當?shù)毓懿牡纳a(chǎn)狀況，應用管材的習慣，特別是工程的資金落實情況，經(jīng)技術、經(jīng)濟、安全等方面論證比較后確定。
　　 目前應用于長距離輸水工程大口徑管道的管材有鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筋砼管（PCP）和預應力鋼筒砼管（PCCP）、玻璃鋼管等，下面就這幾種管材分別論述：
2.3.1 鋼管
　　鋼管應用歷史較長，范圍較廣，通常選用Q235-A或Q235-B（A3）鎮(zhèn)靜鋼鋼板制作，它的強度高，管材和管件易加工，管廠建設周期短，特殊地段（如頂管、過河段）一般都采用鋼管，但鋼管的剛度小，易變形，襯里及外防腐要求嚴，必要時需作陰極保護，施工過程中組合焊接工作量大，與水泥壓力管相比，造價較高。
　　 大口徑鋼管有兩種成形工藝，即直縫焊管與螺旋焊管。螺旋焊接鋼管采用卷板，利用螺旋管焊接生產(chǎn)線一次成型，但螺旋焊接鋼管的焊縫較直縫焊接鋼管的焊縫長，這就意味著薄弱環(huán)節(jié)多，可靠性差，因此輸水管道常采用直縫焊接鋼管。
2.3.2 球墨鑄鐵管
　　離心球墨鑄鐵管: 離心球墨鑄鐵管由于性能優(yōu)異，具有優(yōu)良的抵抗外部荷載能力、能滿足各種地質情況要求；球墨鑄鐵管可承受內(nèi)水壓力超過2.0Mpa以上，它比非金屬管材強；球墨鑄鐵管內(nèi)襯為水泥砂漿，管內(nèi)輸水符合衛(wèi)生要求；安裝、運輸方便快捷，能夠滿足施工工期的要求；防腐性能優(yōu)異，使用壽命長，球墨鑄鐵管通常有50～100年的使用壽命，比化學管材及鋼管使用壽命長；維修費用低，輸水能力強，越來越廣泛用于城鎮(zhèn)供水行業(yè)及城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)，離心球墨鑄鐵管作為一個比較成熟的產(chǎn)品，從制造、設計、施工安裝應用等均已形成了系列的國家、國際標準，是輸水、輸氣的首選管材。但大口徑管道鑄造難度大，造價略高，管道制造周期長，并且大口徑球墨鑄鐵管管壁簿，承、插口端容易變形，影響管道敷設?，F(xiàn)國內(nèi)球墨鑄鐵管的生產(chǎn)能力達100萬噸/年，口徑從DN100～DN2200mm，國內(nèi)球管廠家對管徑大于DN2200的球墨鑄鐵管還沒有生產(chǎn)和應用經(jīng)驗。
2.3.3 預應力鋼筋混凝土管（PCP）
預應力鋼筋混凝土管按生產(chǎn)工藝分為：一階段管和三階段管。
　　 （1）一階段管
　　 一階段管的制管過程是先把作為環(huán)向預應力鋼絲的鋼筋骨架放到裝配好的管模中，布置上縱向鋼筋，用電熱法或機械法使縱向鋼筋獲得預應力，然后澆注砼，此后向特制的橡膠內(nèi)膜中注水升壓，使膠模膨脹，砼、外模和鋼筋一道膨脹變形，把砼中水份排擠掉。環(huán)向鋼筋獲得了預應力，并立即進行蒸汽養(yǎng)護，待砼凝固后將內(nèi)模中的水壓泄放，脫外模即成產(chǎn)品。
　　 目前國內(nèi)生產(chǎn)的最大口徑達2m，這種管材的特點是強度及抗?jié)B性較好，管壁較薄，但外模合縫處容易漏漿，修補率高，承口要磨削加工。
　?。?）三階段管
　　 三階段管是指一根管材分三個階段制成，先做成一個帶縱向預應力的砼管芯，管芯外纏環(huán)向預應力鋼絲，然后作水泥沙漿保護層。
　　 此種工藝建廠費用低，宜于流動性生產(chǎn)，唯抗?jié)B性能差，修補率高，管體笨重。
　　 預應力鋼筋混凝土管在價格上低于其它管材，但在強度、韌性、抗震性等方面均低于上述管材。預應力鋼筋混凝土管一般應用范圍是：管徑小于2000mm，管道工作壓力0.4~0.8Mpa之間，大口徑、工作壓力大的情況應慎重。
2.3.4 預應力鋼筒混凝土管（PCCP）
　　預應力鋼筒砼管是在帶鋼筒（薄鋼筒的厚度約1.5mm左右）的砼管芯上，纏繞一層或二層環(huán)向預應力鋼絲，并作水泥砂槳保護層而制成的管子。它的開發(fā)應用已有半個多世紀的歷史，這一技術是法國Bonna公司最先研制的，現(xiàn)已廣泛應用于城市輸配水干管、火電站供水管、水利工程、雨污水干管、工業(yè)供水及廢水管線等方面，目前世界上規(guī)模最大的利比亞“人工河”第一期工程，全長1900km，就是使用直徑4m、工壓2.8Mpa的預應力鋼筒砼管敷設，工程全部完工后運行情況良好。
　　 預應力鋼筒砼管的特點是：由于管芯中嵌入了一層薄壁鋼筒具有較好的抗?jié)B性；由于承插端的工作面是定型鋼制口環(huán)，幾何尺寸誤差小，承插工作面間隙僅1-2mm，O型膠圈占滿凹型槽內(nèi)，密封性能良好，在內(nèi)水壓力下，膠圈無法沖脫，往往滴水不漏，從而改善了一階段、三階段管膠圈安裝不到位則容易沖脫、承插口容易滴水的問題；此類管材承內(nèi)水壓力高、埋土深度大；此類管材的管件配套齊全、簡便、可靠。但是該管重量大，運輸、施工和維修管理不便，由于是半柔性管，對管道基礎要求較高。
　　 預應力鋼筒砼管的管徑范圍是DN400～4000mm，最大可達DN7600mm，其中DN≤1200mm為內(nèi)襯式管、DN＞1200mm為埋置式管。工作壓力通常為1.5～3.0MPa，可達5.0MPa。經(jīng)過近十年對引進技術及設備的消化，這種管材已經(jīng)完全國產(chǎn)化了，且于1996年此類管材在我國建材行業(yè)頒布了《預應力鋼筒砼管》行業(yè)標準（JC625-1996），其應用前景廣闊。
2.3.5 玻璃鋼管
　　玻璃鋼管是指玻纖維增強樹脂塑料管。
　　 玻璃鋼管的特點是強度較高，重量輕，耐腐蝕，不結垢，內(nèi)壁光滑阻力小，在相同流量條件下比其它管材管道水頭損失小、節(jié)省能耗；管道接口為承插式，并設置膠圈，安裝方便；玻璃鋼管與其它塑料管一樣，均存在應變腐蝕問題；玻璃鋼管剛度小，管道基礎要求較嚴，必要時需作砂墊層，但它重量輕，抗腐蝕，安裝容易；玻璃鋼管破裂維修，通常采用樹脂粘補，它必須在干燥的環(huán)境下作業(yè)，這正是供水管道難以具備的條件；管材始終存在廢舊料的再生回收、焚燒處置的問題，熱塑性塑料管及熱固性塑料管的最終焚燒處置大多數(shù)對環(huán)境造成不同程度的危害。由于玻璃鋼管采用復合材料，理化特性指標的離散性較大，必須嚴格控制生產(chǎn)制造、設計、施工各環(huán)節(jié)質量。玻璃鋼管行業(yè)生產(chǎn)標準已經(jīng)頒發(fā)，施工驗收標準和設計規(guī)范在編制過程中，設計時玻璃鋼管的內(nèi)壁粗糙系數(shù)一般取n=0.009。
　　 以上為目前國內(nèi)常用的大口徑管材的特點及其適用范圍，在長距離輸水管道工程設計時，管材選擇的綜合評價應進行技術經(jīng)濟分析，并從下五個方面評定：
　　 （1）管材性能可靠，能承受要求的內(nèi)壓和外荷載；
　　 （2）管材來源有保證，管件配套方便，運輸費用低或管廠建廠周期短；
　　 （3）施工機具及安裝容易；
　　 （4）使用年限長，維修工作量少；
（5）輸水能力相同條件下，工程造價低。
　　 近年來國內(nèi)在輸水管道使用鋼管在施工和管理上都積累了大量經(jīng)驗，盡管鋼管較非金屬管材造價要高，但目前在國內(nèi)大口徑輸水管道上應用較為廣泛，東莞市的長距離輸水工程采用的管材均為直縫焊接鋼管。
2.4 管道防腐
2.4.1 涂層防腐
　　本工程管道外防腐采用四油二布環(huán)氧煤瀝青防腐層，厚度為0.6mm。質量要求符合《埋地鋼質管道環(huán)氧煤瀝青防腐層技術標準》（SY/T 0447-96），防腐前應進行除銹達到《涂裝前鋼材表面處理規(guī)范》（SYJ4007－86）中的Sa2¹/₂級標準。管道安裝后接口防腐采用塑化瀝青防蝕膠帶，質量要求符合Q/ZLC002-1997標準。管道內(nèi)防腐應在試壓、還土合格后進行，采用機械噴涂水泥沙漿襯里，厚度為15mm，質量要求應符合《埋地給水鋼管水泥砂漿襯里技術標準》（CECS10:89）。噴涂前應進行去污除銹，達到《涂裝前鋼材表面處理規(guī)范》（SYJ4007－86）中的St3級標準。管件的內(nèi)、外及接口的除銹和防腐要求與管道相同。
2.4.2 鋼管的陰極保護措施
　　為了防止鋼管外表面的腐蝕，確保管道長期安全可靠地運行，采用陰極保護技術可以有效地抑制鋼管在土壤中的腐蝕。
⑴陰極保護必要性
　　 鋼質管道在土壤中的腐蝕主要是電化學腐蝕。由于土壤中各種因素的影響，在管道表面形成宏觀及微觀的陽極區(qū)和陰極區(qū)，從而形成腐蝕電池。東莞市位于珠江三角洲中心，人口稠密，工商業(yè)極為發(fā)達，用電負荷大，地上地下的輸電線路，變壓站，大型企業(yè)等均會在地下土壤中產(chǎn)生雜散電流的干擾，對管道的運行產(chǎn)生不利影響。同時，工業(yè)的飛速發(fā)展，造成大量工業(yè)和生活廢水排放，倘若得不到有效處理，也會對周圍河流，土壤產(chǎn)生嚴重污染，各種污染介質均會對地下管道產(chǎn)生嚴重的腐蝕。
　　 ⑵陰極保護方法的選擇
　　 陰極保護措施有犧牲陽極法及外加電流法，東莞市第六水廠一期輸配水管道地處東莞城鎮(zhèn)地區(qū)，管道沿線廠礦企業(yè)、商業(yè)和居民建筑群密集，地下各種管道繁多。采用強制電流陰極保護法則會對其它地下鋼結構產(chǎn)生干擾作用，故采用犧牲陽極法來保護輸配管道。
　　 ⑶技術要求
　　 i）根據(jù)規(guī)范要求，管道沿線土壤電阻率的高低決定采取不同形式的鎂陽極。如棒狀鎂陽極，高電位棒狀鎂陽極，帶狀鎂陽極。根據(jù)實測電阻率及《埋地鋼制管道犧牲陽極陰極保護設計規(guī)范》（SY/T 0019-97）規(guī)定，當土壤電阻率＞100Ω·m時采用帶狀鎂陽極保護。
　　 ii）為防止陰極保護管道的保護電流的流失，在管線的首、末端以及沿線各個交水點位置，均應采取電絕緣措施，一般在上述地點安裝閥門的法蘭上采用非金屬進行電絕緣，成為絕緣法蘭，其絕緣電阻應≥2MΩ。同時, 材料在絕緣法蘭的內(nèi)外裸露金屬表面仍采用加強級涂料防腐，防腐層長度大于管徑的1.5 倍。
　　 iii）混凝土電位測試樁
　　 設置混凝土電位測試樁用來測量管道保護電位。平均每公里設置一個，每個測試樁處埋設長效Cu/CuSO₄參比電極一支。根據(jù)現(xiàn)場實際情況和利于今后測試人員方便，測試樁埋設在路邊、田間、城市綠化帶等位置。
　　 iv）鋼制電化學測試樁
　　 在埋設棒狀鎂陽極的管段，設置電化學測試樁。用來測量犧牲陽極保護中的各種電化學參數(shù)。例如陰、陽極開路電位，閉路電位，陽極發(fā)生電流等。電化學測試樁應設置在安全、便于測量的位置上。本段管線不設置電化學測試樁。
　　 鋼管的最大缺陷是在自然環(huán)境中易產(chǎn)生腐蝕，因此在做好鋼管的內(nèi)、外防腐的基礎上，對鋼管進行陰極保護無疑對于提高管道的使用壽命、充分發(fā)揮投資效益有著重要的作用。
2.5 管道基礎處理及溝槽支護
　　由于南方地區(qū)軟弱地基較多，在設計時需要根據(jù)地質勘探報告及地面障礙物情況給出基礎處理辦法和溝槽支護方式，從而有效的控制工程造價。
2.5.1管道基礎處理
　　針對南方地區(qū)的地質特點，管道基礎一般分以下幾種情況進行處理：
　　 · 淤泥土質在管底以下1m內(nèi)時，應全部清除淤泥土質并換填好粘土或粉土，換填至管底高程，分層夯實，密實度系數(shù)不小于0.9。
　　 · 當管底地基在1m～4m范圍內(nèi)的淤泥土層時，應滿槽施工打入直徑為100mm的松木樁，間距為300mm呈梅花形布置。再在松木樁上頂換填碎塊石（塊徑小于300mm），厚度為400mm。然后在碎塊石頂面換填200mm厚的石粉渣。
　　 · 當管底地基為大于4m以上范圍的淤泥土層時，可采用水泥攪拌樁方式。樁徑D=550mm，間距為縱向1.2m，橫向1m，共4排。樁頂為管道中心，樁底為穿過淤泥土層、至下一土層2m以上。
　　 · 當管道遇到大面積水塘，可采用鋼筋混凝土支架跨越管道結構方式。鋼筋混凝土支架可采用鉆孔灌澆樁形式。如果場地條件允許可采用預應力鋼筋混凝土預制管樁的形式，施工快且節(jié)省工程費用。
2.5.2 溝槽支護
所有管道基槽開挖時，必須做好施工降水，做好基槽坑邊的支護，基坑邊不能堆放棄土，不能有重型及大型機械設備，以免增大對基坑支護的側壓力。
由于南方地區(qū)地下水位較高，特殊地段的溝槽支護方式常采用拉森鋼板樁支護，這種支護方式，既可以起到擋土作用，從而減少開槽斷面，也可以起到止水作用，便于施工，但費用較高。
2.6 穿越障礙物
2.6.1 管道穿越河流
　　東莞市地處水鄉(xiāng)河流縱橫交錯，長距離輸水管道不可避免的與河流多次交叉，根據(jù)在廣東地區(qū)積累的多年經(jīng)驗，管道在穿越河道時多采用沉管施工方式，該方式具有施工速度快、投資省的優(yōu)點，但維修困難，需要水下作業(yè)。做過河管設計時需要注意以下幾點：
　　 · 需要委托航道部門進行水下測量，并請航道部門提出河道的規(guī)劃斷面及技術要求。一般過河管管頂高程在規(guī)劃河底高程以下1.0m，并且管道在河底的直線段應滿足河道的規(guī)劃斷面寬度要求；
　　 · 過河管沉管施工時，兩側斜管段上口應高出河流的常水位，待管道沉到設計高程后，局部進行拋石固定，然后去除管道上吊耳等突出物，以免船只拋錨時刮到，然后沉管段溝槽內(nèi)需回填碎石至現(xiàn)況河底，兩側河岸管道視水位及設計高程關系，確定是否需要采用圍堰施工；
　　 · 管道穿堤部分需根據(jù)水利部門要求設鋼筋混凝土包封，并且每隔3米設止水環(huán)1個。
　　 · 管道施工完需要按航道部門要求設置標志，沉管上下游河岸都需進行襯砌。
2.6.2 管道穿越道路
　　管道穿越主要道路時一般采用頂管施工方式，一般道路采用開槽施工。

3. 結論

　　區(qū)域供水是解決地區(qū)性水源不均衡分布的有效模式，長距離輸水管道是實現(xiàn)區(qū)域供水的手段，經(jīng)濟、合理地進行輸水管道設計對確保整個供水系統(tǒng)的安全性和控制工程投資都有著重要意義。對于南方地區(qū)長距離輸水管道設計，把握住管材的選擇、管道基礎處理和溝槽支護及穿越障礙物的處理措施等環(huán)節(jié)是控制工程投資的關鍵，同時做好管道的防腐及陰極保護可以延長管道的使用壽命，充分發(fā)揮投資效益。輸水管道設計看似簡單，但把握各個技術環(huán)節(jié)，使得設計更為合理，是每個設計人員都應該重視的問題，希望通過本文能對今后設計起到借鑒作用。

---

作者單位：北京市市政工程設計研究總院
通訊地址：北京市西城區(qū)月壇南街乙2號 100045
聯(lián)系電話：010-68025870
E-mail:ydq2003@yahoo.com.cn