區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系水源和缺水地區的紐帶，本文以東莞市區域供水現狀為背景，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：區域供水 輸水管道 管材 管道防腐

1 東莞市區域供水模式的提出及成效

1.1 區域供水模式的提出
　　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，經濟快速增長的同時，由于缺乏統一規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區飲用水水源的東引運河已淪為沿河各鎮的排污主渠。東莞市除了東江和部分水庫水源水可達標外，已經沒有合格水源，東江已經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區供水矛盾日益突出，除去東江中、上游沿岸及東深供水工程經過的鎮區外，其余20個鎮區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區，實行區域供水才能解決這部分地區的缺水問題。
1.2 區域供水模式的成效
東莞市采用區域供水模式，打破了傳統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，促進行業發展及整個社會經濟發展起到了積極作用。
　　 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。
　　 區域供水的提出根源在于整個市域內水資源分布不均衡，水體急劇污染，而區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適應了供水產業的特點，有效地形成了產業規模。
　　 供水屬于城市公用事業，是受政府管制的非完全競爭的行業，具有規模經濟性、自然壟斷性等經濟特點，供水企業規模大小基本決定了成本，成立一家大型水務公司進行區域供水在以下幾方面顯示了巨大優勢：
　　 · 大規模供水工程的建設顯著的降低單位工程造價，節約了社會總成本。
　　 · 以大企業為依托，拓寬融資渠道，有效地解決建設資金不足，發展滯后的問題。
　　 · 相比小水廠工藝落后，技術人員缺乏，制水成本高，水質不穩定，大型水廠采用先進的制水工藝設備，采用全自動化生產控制，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域供水的組成部分，主要是解決東莞市中西部區域長安等5個區鎮的用水緊張問題。其中，取水及凈水工程位于東莞市東城區，輸配水工程則地跨東城區、寮步鎮、大嶺山鎮和長安鎮。水源為東江，一期工程規模為50萬m³/d，輸水管道直徑為DN2600～DN1800，全長約39公里。
2.2 輸水管道系統設計
　　東莞市第六水廠一期工程作為東莞市區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、大嶺山等缺水鎮區，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雙管供水，在系統故障時，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的優化調度。
　　 由于區域供水是一個系統工程，含多個子系統，若規劃不當，將造成建設費用增大，并影響今后的運行費用，因此規劃方案非常重要，第六水廠一期工程作為東莞市區域供水的一個子系統，工程建設依據以往的經驗，即管網優先建設、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工程的規模、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，當地管材的生產狀況，應用管材的習慣，特別是工程的資金落實情況，經技術、經濟、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，這就意味著薄弱環節多，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異，具有優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水壓力超過2.0Mpa以上，它比非金屬管材強；球墨鑄鐵管內襯為水泥砂漿，管內輸水符合衛生要求；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供水行業及城鎮燃氣行業，離心球墨鑄鐵管作為一個比較成熟的產品，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國內球墨鑄鐵管的生產能力達100萬噸/年，口徑從DN100～DN2200mm，國內球管廠家對管徑大于DN2200的球墨鑄鐵管還沒有生產和應用經驗。
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。環向鋼筋獲得了預應力，并立即進行蒸汽養護，待砼凝固后將內模中的水壓泄放，脫外模即成產品。
　　 目前國內生產的最大口徑達2m，這種管材的特點是強度及抗滲性較好，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，唯抗滲性能差，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、工業供水及廢水管線等方面，目前世界上規模最大的利比亞“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滲性；由于承插端的工作面是定型鋼制口環，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，密封性能良好，在內水壓力下，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。經過近十年對引進技術及設備的消化，這種管材已經完全國產化了，且于1996年此類管材在我國建材行業頒布了《預應力鋼筒砼管》行業標準（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，它必須在干燥的環境下作業，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對環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，必須嚴格控制生產制造、設計、施工各環節質量。玻璃鋼管行業生產標準已經頒發，施工驗收標準和設計規范在編制過程中，設計時玻璃鋼管的內壁粗糙系數一般取n=0.009。
　　 以上為目前國內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。
　　 近年來國內在輸水管道使用鋼管在施工和管理上都積累了大量經驗，盡管鋼管較非金屬管材造價要高，但目前在國內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范》（SYJ4007－86）中的St3級標準。管件的內、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和陰極區，從而形成腐蝕電池。東莞市位于珠江三角洲中心，人口稠密，工商業極為發達，用電負荷大，地上地下的輸電線路，變壓站，大型企業等均會在地下土壤中產生雜散電流的干擾，對管道的運行產生不利影響。同時，工業的飛速發展，造成大量工業和生活廢水排放，倘若得不到有效處理，也會對周圍河流，土壤產生嚴重污染，各種污染介質均會對地下管道產生嚴重的腐蝕。
　　 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地區，管道沿線廠礦企業、商業和居民建筑群密集，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）根據規范要求，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。根據實測電阻率及《埋地鋼制管道犧牲陽極陰極保護設計規范》（SY/T 0019-97）規定，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。根據現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。例如陰、陽極開路電位，閉路電位，陽極發生電流等。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境中易產生腐蝕，因此在做好鋼管的內、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
　　由于南方地區軟弱地基較多，在設計時需要根據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，密實度系數不小于0.9。
　　 · 當管底地基在1m～4m范圍內的淤泥土層時，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，根據在廣東地區積累的多年經驗，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、投資省的優點，但維修困難，需要水下作業。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劃斷面及技術要求。一般過河管管頂高程在規劃河底高程以下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，然后沉管段溝槽內需回填碎石至現況河底，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水利部門要求設鋼筋混凝土包封，并且每隔3米設止水環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

　　區域供水是解決地區性水源不均衡分布的有效模式，長距離輸水管道是實現區域供水的手段，經濟、合理地進行輸水管道設計對確保整個供水系統的安全性和控制工程投資都有著重要意義。對于南方地區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節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，充分發揮投資效益。輸水管道設計看似簡單，但把握各個技術環節，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。

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作者單位：北京市市政工程設計研究總院
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