沈岳飞

（榆林市水务集团，陕西 榆林 719000）

1 工程概况

榆林市三县供水项目位于榆林市东南部，是以王圪堵水库为取水水源的长距离引水工程，供水范围为无定河两岸的绥德、米脂2 县以及无定河支流大理河沿岸的子洲县3 个重点县城和沿线12 个乡镇的居民生活用水和第三产业用水[1]，工程主要包含输水管线132.32 km，集中净水厂1 座规模9.6 万m3/d，调蓄池1 座容积8000 m3，加压泵站1 座，调压池2 座，倒虹工程10 座。供水工程主要分为共用和专用工程2 个部分，共用工程取水口为王圪堵水库下游电站尾水池（设闸），管线沿无定河两岸阶（滩）地布置至绥德物流园区，输水线路全长113.96 km。专用工程为绥德、米脂、子洲三县供水专线，总长18.36 km。本次长距离引水工程共有倒虹吸10 座，倒虹吸布置多，倒虹吸管材和管径选取合理与否不仅影响工程结构安全，而且影响工程量及投资，因此本文主要从管材和管径两方面进行综合比较，选择结构合理、施工简单、投资经济的管材作为倒虹吸管身段，并进行倒虹吸现场施工技术的分析，从而指导倒虹吸现场施工，保证工程质量。

2 管材及管径比选

2.1 管材比选

一般倒虹吸管分预制和现浇两种形式，管道横断面通常为箱形或圆形，圆形断面受力条件及水力条件均优于箱形断面，应用最为普遍，箱形断面因立模方便，也应用于大流量、低水头倒虹吸管中。管材比选方法如下：

（1）)输水线路针对设计水头较丰裕，管道选用较大的设计流速，以减小管径，初选倒虹吸管材主要为钢管及PCCP管（预应力钢筒混凝土管），对地形较陡渠段，采用对地形适应性较好的明钢管形式，地形平坦渠段，选用适宜埋管的PCCP 管，对内水压力超过1 MPa 的区段，考虑安全性仍采用钢管。

（2）在管道敷设形式上，常采用明管和埋管，地形较陡的坡面以明管敷设较为方便，地形平缓地带，多为土壤肥沃的农田，人机活动频繁，为便于保护耕地及减少人机活动对管道的影响，宜采用埋管形式。与公路、河流、沟谷等交叉处，根据跨越地物的特征、跨度及墩架布置条件，采用高支墩架空管、钢筋混凝土或钢结构管桥上敷设管道等形式从上部跨越，或者采用钢筋混凝土包管、交叉涵洞内敷设管道等形式从下部穿越。

（3）地形地势及施工方法。按现浇混凝土管设计时，线路中部湖相积带地势低洼，地下水位高，地基软弱，在现场绑扎钢筋、立模浇筑至养护成型，施工工序多，工期长，施工质量难以保证。同时地形较陡且存在起伏变化，需穿越沟谷、道路等，从结构设计及管线布置上采用现浇混凝土管均较不利。若采用预应力现浇管，则因倒虹吸线路长、位置分散、地基条件变化大等因素，作业条件难以稳定，且现场施加预应力，工序复杂，根据操作条件的差异而具有较大变异性。因此，不推荐采用现浇混凝土管形式。

由此，该引水工程倒虹吸管材主要从钢管、球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管、预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管（PCCP）等管材之间进行比选[2]，比选从管材特性、地形地质条件、施工因素、工程量及投资等各个方面进行。各种材料特性叙述见表1。

表1 倒虹吸管材特性比较表

该输水线路整体流量相差不大，考虑管道选材的整体统一性，结合本工程的实际情况，初选管径为1.4 m，压力为0.6 MPa的管材进行综合比较列入表2。

表2 倒虹吸管材综合比较表

从各种管材的投资比较可知（运输及安装费用未计入），球墨铸铁管的管材投资约为钢管的1.3 倍，预应力混凝土管的管材投资约为钢管的0.6 倍，预应力钢筒混凝土管约为钢管的0.7 倍，玻璃钢夹砂管的管材投资约为钢管的0.9 倍。五种倒虹吸管材投资由小到大依次为：预应力混凝土管、预应力钢筒混凝土管、玻璃钢夹砂管、钢管和球墨铸铁管。

从表2 可以看出，球墨铸铁管造价最高、适应变形能力一般，预应力混凝土管管段虽然造价低、但同管径下重量过大，运输费用高而且施工不便，同时预应力砼管承压较低，适应不良地基变形的能力差；玻璃钢夹砂管糙率小、水流条件较好，同等条件下管径小，造价较低，但其适应不良地基变形的能力差，抗外压能力较差，本工程地形地质条件较差，因此本工程不采用以上三种管型。

钢管承担内压高，结构安全可靠，能适应各种地形，适应不良地基变形的能力好；预应力钢筒混凝土管造价较钢管低，对地基和回填土的要求一般[3]，近年已在多个引水工程中成功应用，具备较优良的特性。结合倒虹吸布置情况，选用钢管及PCCP 管两种管材，钢材根据工程整体情况一般选用Q345C，多为明管布置，PCCP 管根据内压选型，布置为埋管形式。对内水压力水头超过100 m 的管段，考虑接头的可靠性及运行安全，管材选用钢管[4]。

2.2 管径比选

根据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》（SL 482-2011），倒虹吸初拟管内平均流速宜为1.5 m/s～2.5 m/s。参阅国内相关资料，倒虹吸管采用较高流速时基本为3 m/s～4 m/s，部分已超过4 m/s，由于本段水头较为充裕，考虑管道流速尽量选择上限并适当提高，以减小管径。同时，为整体上控制单个倒虹吸水损，便于小流量工况的运行、消能，对长度较长或使用管材糙率较大的倒虹吸适当增大管径。根据上述原则，结合流量与管径因素，拟定各倒虹吸流速如下[5]：

（1）1#、3#、6#、8# 倒虹吸，管材以糙率较小的钢管为主，长度不大，拟定流速为3.4 m/s～3.8 m/s，略低于已建倒虹吸的流速较高值。

（2）2#、4#、5#、7#、9#、10# 采用了 PCCP 管材或管道长度较长，拟定流速为2.8 m/s～2.9 m/s，略高于规范推荐的流速范围。

根据初步拟定的设计流速，考虑单管、双管布置方案进行比选，按设计流速相同的条件，比较情况见表3。

表3 榆林市三县供水工程倒虹吸管径比选表

按表3 中设计流速，各倒虹吸水损均能满足设计要求，选定流速偏于经济且在合理范围之内。双管方案在检修工况可以两管轮流过水，在小流量工况也可以通过两管分别设闸控制，使单管过流，保证管道接近于设计流速运行，不会产生较大的剩余水头给消能带来困难。采用单管时，按相同流速，以上最大管径为3 m，安装施工仍较方便，相较于双管方案，管材费用、管槽挖填工程量、占地面积及安装工程量等均减少较多，整体造价大幅降低，同时小流量工况消能可以通过设置进出口消力池解决。

以4#到虹吸为例，对单管、双管方案管道部分投资进行比较，结果见表4。

表4 4#倒虹吸单管、双管方案管道部分投资比较表（每米线路）

仅进行管道部分投资对比，双管方案已高出单管方案较多，综合比较，推荐采用单管布置方案。倒虹吸断面布置图见图1。

图1 倒虹吸断面布置图

3 倒虹吸施工技术要求

3.1 埋管段施工

埋管段施工项目为土石方开挖、土石方回填、管道埋设等。埋管段管道沿耕地布置，工程施工开挖采用1 m3反铲开挖，考虑到管线开挖料较少，沿线较长但施工工期不长，采用推土机推运至就近堆放，堆土距离管槽不小于2 m，管道铺设后，采用推土机推运开挖料进行回填即可。

土石方明挖采用自上而下分层开挖，土方采用人工配合推土机剥离、挖掘机进行开挖石方由风钻钻孔爆破。渣料采用挖掘机装自卸汽车运至渣场弃置。本部分工程的弃渣量少，开挖渣料大部分能回填料进行使用。

镇墩钢筋混凝土的浇筑：由混凝土拌合机拌合，溜槽入仓，振捣器振捣平仓。

管道的安装：管道采用载重汽车运输至安装工作面，采用75 t 履带吊车至安装点，每安装6 m 进行一次管槽回填，固定管道位置。为确保在吊运过程中不损伤管道，吊装采用临时用合成纤维15 t，吊管时在管口两端用橡胶垫衬垫，做到专业人负责，轻吊轻放。埋管段施工示意图见图2。

图2 埋管段施工示意图

3.2 明管段施工

明管段施工项目为土石方开挖、土石方回填、镇支墩混凝土浇筑、钢管铺设等。施工技术要求如下[6]：

（1）平缓段施工

平缓段土方开挖采用人工配合挖掘机剥离和开挖，石方由风钻钻孔爆破，开挖弃渣采用5 t 自卸汽车运输至就近弃渣场。混凝土由0.4 m3混凝土拌合机拌合，混凝土由胶轮车运输至工作面，人工入仓，振捣器振捣平仓。管道采用8 t 农用车运输至工作面后采用挖掘机结合人工安装。

（2）陡坡段

陡坡段土方开挖采用人工配合挖掘机剥离和开挖，石方由风钻钻孔爆破，开挖弃渣采用5 t 自卸汽车运输至就近弃渣场。混凝土由0.4 m3混凝土拌合机拌合，混凝土由胶轮车运输至就近工作面，溜槽结合人工入仓，振捣器振捣平仓。管道采用8 t农用车运输至工作面后，采用电动葫芦、卷扬机结合牵引至安装工作面。

（3）沿乡村道路、公路段

沿乡村道路段土方开挖采用人工配合挖掘机剥离和开挖，石方由风钻钻孔爆破，开挖弃渣采用5 t 自卸汽车运输至就近弃渣场。混凝土由0.4 m3混凝土拌合机拌合，混凝土由搅拌车运输至工作面，人工入仓，振捣器振捣平仓。管道采用5 t 农用车运输至工作面后采用15 t 汽车吊卸至安装工作面，人工配合安装。

图3 沿乡村道路段施工示意图

4 结论及建议

本文通过整体管材的比选，倒虹吸管材上主要采用钢管、PCCP 管两种管材，PCCP 管主要用于压力水头低于100 m 的埋管段，压力水头高于100 m 的管段及低于100 m 的明管段，均采用适应性、可靠性较好的钢管。在管径上双管在工程量、管材费用及总投资上均大于单管，本工程选择单管倒虹吸，在施工中主要注意明管段、暗管段、沿公路等施工方法、施工技术要求，确保倒虹吸顺利施工。