夏海滨

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

在泵站提水工程中，出水管线的管道选材与设计对工程的投资和安全有至关重要的作用，恰当的选材和设计会使泵站工程在有限的投资内达到更高的效率，在保障工程安全的前提下有效提高工程的效益。本文将以某工程为例，浅析泵站提水工程中的管道选材与设计。

1 工程自然条件

工程区地处西北高原，温差较大，无霜期短，降水稀少，蒸发量大，气候干旱，地表、地下水贫乏，属典型的干旱型大陆性气候。全年平均气温6.6℃，极端最高气温33℃，极端最低气温-26.4℃;最大的冻土深度约为110 cm。管线工程沿程地形开阔，地势略有起伏。管道涉及到的地层岩性主要有:人工杂填土、砂卵砾石及含砾石砂土，一般厚度0.2 m～2 m;第四系风积细砂覆盖，厚0.3 m～2 m 不等;风洪积(Q43eolp)细砂夹黄土状土透镜体，该层一般厚4 m～9 m，中部段较薄，层厚0.5 m～2 m，层中夹黄土状土透镜体由下游至上游渐薄，起始段黄土状土最厚达5 m;冲洪积(Q4alp)砂卵砾石，厚度大于10 m。工程勘探范围内未揭示出地下水，地下水对工程无影响。大部分管线布置于耕地中。

该工程泵站设计提水流量1.1 m3/s，前池设计水位1762.48 m，出水池设计水位1841.30 m，几何扬程78.82 m，总扬程134.85 m。

2 管道选材

2.1 初步比选

1)工程特点

本工程项目区地处某河流冲洪积滩地，滩地大部分被现代活动沙丘覆盖，部分已被人为改造为耕地，地形开阔，地势平坦。供水管线可沿地形顺势而上埋置于冻土深度以下即可，管线纵向转角均小于6°。本工程为泵站提水管线工程，单级总扬程近135 m，泵后管道内水压力较大，随后逐渐降低，从节省工程投资角度，可考虑分段组合使用管材，压力较大段采用钢管，压力较小段在保证工程安全前提下选择其他管材。

2)不同管材特见表1。

表1 不同管材特点对比表

通过对以上管材特性的初步分析，各种管材承压强度及管径选择范围基本都可满足本工程需要，玻璃钢夹砂管对管槽开挖和回填工艺要求较高，专业性安装要求高，增加了施工难度，增加了安装费用，对长距离输水管线而言质量控制较难，因此不考虑选用;PCCP 管重量大，施工安装不方便，施工速度难以满足工程进度需求，同时，如何选用合适的方法对管道进行阴极保护至今尚未完全解决，特别是镁金属块和通电流量的大小较难把握，故不考虑选用。

综上，本文重点对钢管、离心球墨铸铁管进行比较。

2.2 管道规格确定

本工程输水管道设计流量1.1 m3/s，管道最大工作水头约80m，根据《村镇供水工程技术规范》(SL 310-2019)、《给水及燃气用球墨铸铁管、管件和附件》(GB/T 13295-2019)等规程规范，初步选定钢管、离心球墨铸铁管的管道规格，具体见表2。

表2 管材规格初选

2.3 管道经济比选

本节将对初步选择的钢管、球墨铸铁管等2 种管材的4种规格进行经济比较，为使比较结果准确、全面，管材单价根据国内多家生产厂的报价确定，报价均为工地价。由于管径的差别较小，下文比较时忽略土建工程费用。工程运行费按照工程合理使用年限50 年进行计算。经济比较结果见表3。

表3 管材经济比较

2.4 管材规格选定

从表2 可以看出，四种规格的管道均能满足工程需求，由于钢管的糙率低于球墨铸铁管道，因此球墨铸铁管道的水头损失普遍大于钢管，其中以DN800 球墨铸铁管道的损失最大。从表3 可以看出，四种规格管材及运行费用中，DN900 钢管总费用最高，DN800 钢管次之，DN800 和DN900 的球墨铸铁管道(K7)价格相对较低。

本工程为泵站提水工程，泵站汇总管后管段为全管段水头最高点，之后逐渐降低。综合考虑工程安全性及经济性:钢管由于其接口处采用焊接方式，故整体性及稳定性优于球墨铸铁管，对于泵站后管段的高水头有更好的适应能力及安全保障，而DN800(K7 级)离心铸造球墨铸铁管道的综合费用较低且能满足泵站压力管道的设计要求。经综合考虑，本工程管材选用方案为:泵站汇总管后至桩号1+713.23 段采用螺旋焊接钢管，管径为DN800;桩号1+713.23 至末端出水池段采用球墨铸铁管(K7 级)，管径为DN800。

3 压力管道设计

本工程泵站压力管道长7609 m，泵站汇总管后至桩号1+713.23 段采用螺旋焊接钢管，管径为DN800 mm;桩号1+713.23 至末端出水池段采用球墨铸铁管(K7 级)，管径为DN800 mm。两种管材连接处采用法兰连接。有压输水管道尽量顺地形铺设，避免大的垫方和深挖方，最大纵坡不宜大于1∶1.5，尽量设计为顺坡。穿越公路时必须满足相应行业保护厚度，且穿越段尽量顺直穿越。管线整体埋深应在冻土层以下。经计算分析后，在上凸转弯处设补排气阀，管道转弯处设镇墩。

3.1 压力管道水力计算

根据武汉大学《水力计算手册》(第二版)，压力管道的沿程水头损失按下式计算[1]:

式中:hf为管道的沿程水头损失，m;L为管道的长度m;d为管道的内径m;v为管道过水断面的平均流速，m/s;g为重力加速度; 为沿程水头损失系数。

式中:C为谢才系数;n为糙率;R为水力半径,m。

根据以上公式，压力管道的水力计算结果见表4。

表4 压力管道水力计算表

3.2 管道结构计算

(1)埋设管道的最大竖向变形计算

1)计算公式

根据《给水排水工程结构设计手册》第二版，埋设管道最大竖向变形计算公式[2]如下式所示:

式中:Wd,max为管道在荷载作用下的最大竖向变形，m;DL为变形滞后效应系数，取1.5;Kd为管道变形系数，按管道基础中心角2 ≥90°时，取0.1 计算;Fsv，k为每延米长管道管顶的竖向土压力标准值，kN/m;q为地面荷载(车辆荷载或堆积荷载)对管道的作用，其准永久值系数，q=0.5;D0为管道的计算直径，为管道处径-管道壁厚(DE-e)，m;qvk为车轮荷载传递到管顶处的竖向压力标准值，kN/m2;S为管材的环刚度，kN/m2;Ed为管侧土的综合变形模量，kN/m2。

2)管材环刚度S的确定

管材环向弯曲刚度是指管道抵抗环向变形的能力，简称环刚度。可采用测试方法定值或计算方法定值，单位为kN/m2。由于管材的环刚度与弹性模量有关，而弹性模量容易受工艺、材质、温度等的影响，需实际测量确定，所以计算数值仅作理论参考。本节对离心球墨铸铁管(K7)选取最不利的管材公称压力等级工况进行结构计算。

根据掌握的K7 级离心球墨铸铁管道的环刚度实测值，本节也进行了理论计算，进一步复核实测值，由于计算环刚度较实测数据偏大，为安全起见，采用实测值，离心球墨铸铁管道的实测环刚度和理论计算环刚度见表5。

表5 离心球墨铸铁管环刚度

3)荷载的确定

①竖向土压力的确定

式中:P1为作用在管道上的竖向土压力，kN/m2;γ为管顶回填土的重度，取18 kN/m3;H为管顶覆土高度，按设计取1.5 m。

②地面汽车荷载传递到埋地管道上的竖向压力的确定

（4）布置方格网测点：首先采用长200cm，宽150cm的方格网对每一个碾压试验单元进行布置，并在面板堆石坝的试验填筑区设置了一些控制基桩。为了便于采用水准仪测量面板堆石坝碾压施工后的沉降测量，对每一个网格测点设置了不同的颜色和编号，并放置了水准尺垫。

式中:nc为轮压的数目，2。

③地面堆积荷载的确定

根据《给水排水管道结构设计规范》(GB 50332-2002)，地面堆积荷载的值取P3=10 kN/m2。

管顶设计覆土深度H=1.5 m，则荷载的标准值见表6。

表6 荷载列表

4)管侧土的综合变形模量Ed的确定

式中:Ee为管侧回填土在压实密度下的变形模量，MPa; 为与Br(管中心处槽宽度)和D1的比值及Ee与基槽两侧原状土变形模量的比值有关的参数。

取回填土的弹性模量为5 MPa， 原状土的弹性模量为7 MPa， 则根据GB 50332-2002 附录A 可以得到不同管径条件下的Ed值见表7。

表7 管侧回填土弹性模量

5)计算结果

根据上述计算理论对管道在直埋(管顶覆土1.5 m)和过车(管顶覆土1.5 m+汽车荷载)2 种工况下的竖向变形进行了计算，计算结果分别见表8、表9。

表8 管道变形量计算表(管顶覆土1.5 m)

表9 管道变形量计算表(管顶覆土1.5 m+汽车荷载)

从表8、表9 可以看出，在直埋(管顶覆土1.5 m)和过车(管顶覆土1.5 m+汽车荷载)的工况下，球墨铸铁管竖向变形量均能满足规范要求。

(2)管壁截面的环向稳定性计算

1)计算公式

根据《给水排水管道结构设计规范》(GB 50332-2002)，管壁截面的环向稳定计算公式[3]:

式中:Fcr,k为管壁失稳的临界压力标准值，kN/m2;Fv,k为管顶在各项作用下的竖向压力标准值,kN/m2;Ks为管道的环向稳定性抗力系数，大于2。

2)管壁失稳的临界压力标准值确定

式中:S为管材环刚度，kN/m2;Ed为管侧土的综合变形模量，kN/m2;vp为管材泊松比，离心球墨铸铁管取0.3。

3)管顶在各项作用下的竖向压力标准值确定

式中:γs为管材环刚度，kN/m2;Hs为管侧土的综合变形模量，kN/m2;qvk为车轮荷载或堆积荷载(取两者中较大值)传递至管顶处竖向荷载标准值,kN/m2。

对管壁的环向稳定性进行了计算，计算结果见表10。

从表10 可以看出，球墨铸铁管管壁环向稳定性均能满足规范要求。

表10 管道的环向稳定计算表

4 结语

泵站出水管为连接水泵出口和出水池的管道，是泵站至关重要的部分，虽然管道本身的构造简单，但其选材及设计会直接影响工程投资、影响水泵的运行效率及运行费用。不合理的设计会引起水泵的汽蚀和振动，甚至引起管道破裂，严重的影响了泵站的运行安全[4]。泵站提水工程的泵站汇总管后管段为全管段水头最高点，之后逐渐降低。综合考虑工程安全性及经济性:钢管由于其接口处采用焊接方式，故整体性及稳定性优于球墨铸铁管，对于泵站后管段的高水头有更好的适应能力及安全保障，而离心铸造球墨铸铁管道的综合费用较低，经上文计算，其竖向变形及环向稳定均可满足工程需要。将球墨铸铁管用于泵站出水管高水头后管段可在保障工程安全的前提下大幅降低工程投资，提高泵站提水工程的综合效益。