玻璃纤维增强塑料夹砂管在某供水工程引水隧洞中的运用

2015-04-05乌晓明

水利水电工程设计 2015年4期

乌晓明

乌晓明

玻璃纤维增强塑料夹砂管（简称FRPM管）是近年来国内逐渐推广使用的一种新型复合材料管道。由于其具有比强度高、抗渗防腐性好、使用寿命长、流通能力强、密度小、质量轻、安装便捷以及综合造价低等独特的性能和优点，被选择应用于某供水工程引水隧洞中并取得了良好的效果。实践证明，相比常规管道，FRPM管道在其适合的环境条件下使用，具有明显的性能优势和极佳的经济效益，适合在输水、供水工程中推广应用，具有广阔的市场前景。

玻璃纤维增强塑料夹砂管引水隧洞运用

1 工程概况

某水库位于重庆市境内，为中型水库。坝址控制流域面积173 km2，多年平均径流总量9 335万m3。大坝坝型为浆砌石重力坝，最大坝高55 m，坝顶长172 m。正常蓄水位354 m，总库容4 166万m3。水库配套渠系工程由5个隧洞、2座渡槽和倒虹管组成，总干渠16.12 km。城市供水支渠2.46 km，主要承担向某县城30万人的供水任务。

2 供水支渠引水隧洞出现的问题

水库向县城供水的供水支渠全长2 460 m，其中引水隧洞长1 342.5 m，为断面圆形压力隧洞，最大工作压力1.3 MPa。隧洞设计开挖断面直径2.8 m，采用钢筋混凝土衬砌后直径2.0 m。隧洞设计采用双层C20钢筋混凝土衬砌，混凝土厚度为40 cm，超挖部分采用同级混凝土进行回填。隧洞于2006年9月1日开始洞挖施工，2009年6月完成混凝土衬砌和固结灌浆。

按照向县城供水的工期目标，2010年7月27日上午开始对隧洞进行充水试压试验，压力隧洞承受静压力为1.06 MPa。当天下午15时左右，在对倒虹管水位进行观察时，发现倒虹管内水位急剧下降，钢管内无存水，通过对倒虹管—压力隧洞出口沿线进行实地检查，发现压力隧洞出口右侧出现较大渗流。隧洞放空后检查，发现在压力隧洞K0+523—K1+342.5洞段出现了67条裂缝。裂缝位于边拱中部位置，基本对称分布，为连续性、贯穿性裂缝，裂缝最大连续长度达34.5 m，最大宽度为6 mm。从现场裂缝呈现状况和设计复核结果，基本可判断为结构破坏性裂缝。

3 工程处理方案比选

鉴于隧洞最大内水压力达1.3 MPa，现有衬砌结构遭破坏，而原设计衬砌结构薄弱，现场施工地质编录资料欠缺，因此，采用裂缝修补和结构补强方案既不经济，也不可靠，施工工期不能满足供水需要。较为可行的方案是在隧洞中重新敷设1条供水管道，即 “洞中管”方案。

经计算，如采用钢管或球墨铸铁管，管径需1.2 m。已成隧洞内径2.0 m，施工场地异常狭小，且只有一个工作面施工，钢管或球墨铸铁管的洞内运输、就位、安装和焊接的难度较大；隧洞内渗水潮湿，管道运行期的维护和防腐处理困难。如采用聚乙烯（PE）塑料管道，管道糙率系数较小，管径1.0 m可满足过流要求，管道质量相对较轻，洞内运输、就位相对较容易，但大口径PE塑料管价格昂贵，其造价远高出钢管或球墨铸铁管。另外，PE塑料管须现场热融连接，现场接口熔融焊接需要专用焊接设备，而现场空间难以满足设备布置需要。

在上述方案均难以满足要求的情况下，对采用玻璃纤维增强塑料夹砂管（FRPM管）方案进行了研究。

FRPM管是1990年以来国内逐渐在石油化工、供排水等领域推广使用的一种新型柔性非金属复合材料压力管道，其实质是以玻璃纤维及其制品为增强材料，以不饱和热固性聚酯树脂为基体，以石英砂及碳酸钙等无机非金属颗粒材料为填料，采用定长缠绕工艺、离心浇注工艺、连续缠绕工艺方法制成的管道。FRPM管道执行国家标准GB/T 21238—2007《玻璃纤维增强塑料夹砂管》。相比其他管道，FRPM管道具有以下突出特点：

（1）比强度高、机械性能好、热膨胀系数小。FRPM管道具有优良的强度性能，最大容许工作压力可达到6.4 MPa，设计安全系数在6倍以上。根据不同的纤维铺设与含量情况，玻璃钢管环向抗拉强度为300 MPa，轴向抗拉强度为160 MPa，而比强度达到200 MPa，大约是普通钢管的3～4倍，球墨铸铁管的10倍。根据调研，FRPM管道在国内已成功用于一些水利水电工程的引水压力管道，管径最大达2.6 m，水头最高345 m。由于FRPM热膨胀系数小，在使用中不需要增加温度补偿装置。

（2）质小、密度轻、单根管道长度长，安装方便。FRPM管道质量大约占同规格、同长度钢管的 1/2.5，球墨铸铁管的1/4，易于装卸，适合洞内运输和安装。FRPM管道接头采用2道 “O”形密封圈承插式安装，安装方便、可靠，密封性、耐腐性好，接头可在小角度的范围内任意调正管线的方向。管道的长度一般为10～12 m，单根管道长，接口数量少，可加快安装速度，减少故障概率，提高整条管线的安装质量。

（3）水力学性能优异、通流性能好。FRPM管具有光滑的内表面，磨阻系数小（0.008 4），管内不易被微生物玷污附着及结垢，压力损失小，水力流体特性好，且管径越大其优势越明显。在管道输送流量相同的情况下，工程上可以采用内径较小FRPM管代替钢管，从而降低工程投资。经计算，管径1.0 m的FRPM管过流量与管径1.2 m的钢管（新）或球墨铸铁管（新）相当。而使用一定年限后，钢管或球墨铸铁管将不可避免被腐蚀或锈蚀，通流性能将随之降低，而FRPM管不存在此问题。

（4）抗渗防腐性能好、使用寿命长、安全可靠。高分子化合物不饱和聚酯树脂填充于玻璃纤维网络空间并与玻璃纤维良好的浸润，固化后不但起到传递荷载和防渗漏的作用，防止酸、碱、盐侵蚀，保护输送的介质无二次污染。FRPM管的基体是极其稳定的高分子材料，且其破坏压力是按工作压力的6倍设计的，可以确保50年使用寿命（AWWA，ASTM标准）。美国、英国、瑞典、日本等国家在1980年开始大规模使用FRPM管，运行实践已证明其长寿命和安全性能。钢管使用寿命一般为15～30年，运行期间需定期维护并做防腐处理。

（5）综合造价低、长期经济效益好。通过市场价格调研，并结合各种管道的现场施工方案，测算出本工程采用FRPM管、PE管、钢管和球墨铸铁管的综合造价分别2 028、3 765、2 957、3 486元/m，FRPM管方案具有明显的价格优势。考虑到管道长期使用的维护费用等其它的运行费用，以及使用年限和输送能力等因素，FRPM的综合效益明显优于其它管材。

综上所述，FRPM管相比PE管、钢管、球墨铸铁管具有其独特的优势。本工程FRPM管在隧洞中敷设，避免了露天明敷布置被人为破坏的隐患和管道防老化问题，因此，在本抢险工程中，采用FRPM管 “洞中管”方案是可行、合理、可靠的。

最终确定采用在已成隧洞内安装DN1 000 mm FRPM管，压力等级1.6 MPa，刚度10 000 N/m2。FRPM管要求严格执行GB/T 21238—2007《玻璃纤维增强塑料夹砂管》标准，同时应符合GB5749—2006《生活饮用水卫生标准》。

4 FRPM管道施工

玻璃钢管道两端采用法兰与倒虹管和钢管连接，从桩号0+000法兰连接后，采取单向洞内运输管道安装和混凝土支墩浇注，玻璃钢管道采用双 “O”形密封圈连接，管道长度每根10 m，沿隧洞底拱中轴安装，每节管道管身中部设置混凝土支墩，管道连接口处设置带双钢件抱箍的混凝土支墩。FRPM管管道安装顺序为：（1）用吊车（装载机）把管道调运至隧洞下游入口，通过安装在隧洞口的行吊放置在隧洞底的移动小车上并用人工运至隧洞内安装点；（2）玻璃钢压力管道沿混凝土隧洞DN2 000 mm中轴线通过紧固连接装置连接安装；（3）玻璃钢压力管道安装后进行钢固定抱箍、混凝土支墩浇注施工。管道的支墩混凝土浇筑与管道安装和验收同步交叉进行。

仅26 d时间就全部完成1 342.5 m管道的安装工作，并一次试水（压）成功。施工质量和施工工期完全达到了预期目标。

5 FRPM管道运用效果评价

本供水工程承担着向某县城供水任务，原计划应于2011年春节前向县城供水。在引水隧洞试压被破坏，已经很难修复的情况下，采用 “洞中管”已成为唯一选择。在通过调研和深入研究，采用了FRPM管道，确保了供水要求，同时大幅降低了抢险工程投资，减少了后期运行维护工作量和费用。

本工程引水隧洞全长1 342.5 m，原采用混凝土衬砌施工共历时21个月，工程投资630多万元；而FRPM管道从开工安装，到一次试水（压）成功，仅用了40 d，抢险工程投资仅259万元。两者相比，FRPM管道优势明显。

目前，FRPM管道已运行3年多时间，尚未进行过任何维护。经现场检查，FRPM管道运行良好，无任何渗水现象。

继本工程后，针对其他工程，对采用FRPM管道埋设方案、FRPM管道 “洞中管”方案（取消压力隧洞永久混凝土衬砌）进行了专题对比研究，在深入技术经济比较的基础上，采用了FRPM管道方案。实践证明，相比常规管道，FRPM管道在合适的环境条件下使用，具有明显的性能优势，同时可以大幅缩短施工工期，具有极佳的经济效益。

需指出的是，目前FRPM管道市场欠规范，生产厂家的设备、原材料、工艺、技术水平参差不齐，市场低价竞争现象较严重，造成目前FRPM管道总体质量水平与国外相比存在一定差距，在一定程度上影响了一些设计单位方案取向和业主的决策，影响了FRPM管道的推广使用。在使用FRPM管道方面，有两方面经验：一是在招标文件中细化技术要求，确定合理的招标限价，邀请有实力的生产厂家投标，拒绝代理商采购。二是由设备生产厂商承担管道安装，实行管道采购和安装总承包。