中國市政工程華北設計研究總院顧問總工      陳湧城

 

      我國幅員廣闊，水資源、人口分布和經(jīng)濟發(fā)展皆不均衡。改革開放以來經(jīng)濟發(fā)展迅速，人民生活水平的提高和城鎮(zhèn)化建設加快使需水量驟增，原來缺水的西北、華北、東北地區(qū)與經(jīng)濟發(fā)達的東南沿海地區(qū)水資源更短缺，目前已形成史無前例的長距離輸（調）水高潮。已建成知名大型長距離管道輸水工程如表1。

 

      近期在建長距離管道輸水工程也很多，如南水北調（中線）輸水工程河南省、河北省及京津地區(qū)配套工程，遼西北輸水工程等。長距離管道輸水工程基本都以解決城市用水為主，其工程特點為規(guī)模大、距離長、管徑大，工作壓力為0.4～1.0Mpa，主管材多選用預應力鋼筒混凝土管（PCCP）。為推動長距離管道輸水工程健康發(fā)展，針對國內工程現(xiàn)狀和長距離管道輸水的特點，擬在保障工程安全，尤其在水錘危害防護技術方面進行探討和研究。

      長距離管道輸水工程應連續(xù)不斷地向城鎮(zhèn)供應符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）并滿足用戶需要的水量和壓力，在管道事故期間需保證供水量也不應低于設計水量的70%。

      供水系統(tǒng)采用多水源或工程設置了調蓄設施并能保證事故期間供水量達到設計水量70%以上時，可采用單管；否則應采用2條以上輸水管道，并應在管道之間設置連通管，保證在其中一條管道事故時，僅關閉事故段管道，管道系統(tǒng)供水量不低于設計水量70%以上。設置連通管需增加投資，大口徑管道連通管配備的閥門操作困難，因此建成多水源供水系統(tǒng)是今后的發(fā)展方向。

      管道承受的荷載種類很多，但最復雜、最重要的是合理的確定管道設計內水壓力。國內外工程界在確定內水壓力時，都要研究工作壓力、瞬時（水錘）壓力、試驗壓力，區(qū)別僅在荷載組合方式和荷載系數(shù)的取值方面不盡相同。工作壓力是最基本的荷載，瞬時壓力和試驗壓力的取值也往往與工作壓力相關。

      （1）工作壓力應根據(jù)工程設計水量、加大流量、小流量、事故供水量（重力流應考慮靜水壓）等各種可能出現(xiàn)的運行工況進行水力計算，繪制出管道的最大內水壓力包絡線，再結合管道縱向布置分段確定。

      （2）瞬時壓力應對輸水工程采用了水錘防護措施情況下，進行非穩(wěn)定流（暫態(tài)）水力過渡過程分析計算，選取瞬時壓力為0.3～0.5倍工作壓力和相應的水錘防護措施。

      （3）試驗壓力可根據(jù)管道相關的施工驗收規(guī)范規(guī)定選擇。

      我國《給水排水管道結構設計規(guī)范》（GB50332）規(guī)定以工作壓力為基礎，考慮和協(xié)調瞬時壓力與試驗壓力，對工作壓力增加一定富裕量來確定設計內水壓力標準值。國外多采用分別列出工作壓力、瞬時壓力、試驗壓力，結構設計按照不同工況進行荷載組合。

      PCCP已成為國內長距離輸水工程的主管材，現(xiàn)國內制管廠家頗多，設計執(zhí)行標準不統(tǒng)一。

3.1  PCCP設計、制造驗收標準的采用

      我國在20世紀80年代中期由美國引進PCCP制管技術和設備，設計采用《預應力鋼筒混凝土壓力管設計標準》（ANSI/AWWA C304），產(chǎn)品采用《預應力鋼筒混凝土壓力管》（ANSI/AWWA C301）標準制造。2002年國內制定中國工程建設標準化協(xié)會標準《給水排水埋地管芯纏絲預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規(guī)程》（CECS140:2002）,又在2011年修定為《給水排水工程埋地預應力混凝土管和預應力鋼筒混凝土管管道結構設計規(guī)程》（CECS140:2011）。另外行業(yè)標準《城鎮(zhèn)給水預應力鋼筒混凝土管管道工程技術規(guī)程》已完成報批稿�！额A應力鋼筒混凝土管》（GB/T 19685）產(chǎn)品標準也在2005年頒發(fā)，已被普遍采用。

      PCCP設計標準的采用現(xiàn)在有三種方式。第一種方式仍沿用ANSI/AWWA C304標準；第二種方式采用國內標準CECS140:2011；第三種方式ANSI/AWWA C304標準與標準CECS140:2011并用，并規(guī)定國內外兩個標準都應滿足。

      設計標準ANSI/AWWA C304與國內標準CECS140:2011均采用極限狀態(tài)設計方法，僅在荷載計算方法、工況組合方式、內力分析及截面計算等方面存在差異。選取若干等直徑PCCP管段，采用相同的內水壓力與外荷載，依據(jù)ANSI/AWWA C304標準UDP V1.8版程序和CECS140:2011規(guī)定分別計算，計算出配筋成果相近，總體上按照CECS140:2011標準計算出配筋略多，但一般不超過5%。廣州西江引水工程采用DN3600PCCP，結構設計規(guī)定執(zhí)行ANSI/AWWA C304與CECS:2011兩種規(guī)范，管道結構計算成果經(jīng)過第三方有設計資質單位驗算，證明上述結論的可靠性。

      ANSI/AWWA C304計算方法非常復雜,PCCP-E的一個斷面需要計算14種工況，而CECS140:2011僅需計算4種工況，在結構計算時與之配套相關規(guī)范的應用也方便，預應力鋼筒混凝土管設計規(guī)范國產(chǎn)化是大勢所趨。

      PCCP的施工安裝驗收普遍采用《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50268-2008）。

3.2  PCCP耐久性探討

3.2.1PCCP防腐蝕機理

      PCCP是由混凝土管芯、鋼筒、預應力鋼絲和水泥砂漿保護層組成的承插式復合管。外層砂漿層厚20 mm，強度不低于45 Mpa，吸水率平均值不超過9%，單個值不超過11%。吸水率是檢驗和保證水泥砂漿層密實性的重要指標。

PCCP外層水泥砂漿一方面隔離了鋼絲與腐蝕介質的直接接觸，保護了鋼絲，另一方面砂漿層中硅酸鹽水泥中的純石灰與水反應生成PH>12.5的氫氧化鈣，在高堿性環(huán)境中金屬鈍化形成的氧化鐵保護膜，能更有效的保護預應力鋼絲。因此一般條件下埋地PCCP耐久性能夠保證。

3.2.2埋設在腐蝕環(huán)境中的PCCP應采取保護措施

      長輸管道工程為線性工程，埋設環(huán)境千變萬化，應特別關注埋設PCCP水和土的腐蝕性。判別埋設PCCP水和土腐蝕性的第一步測量土質電阻率，AWWA《混凝土壓力管手冊》M9規(guī)定土質電阻率小于15Ω.m為腐蝕環(huán)境。第二步對腐蝕性環(huán)境水、土再進一步的測量腐蝕性鹽類含量，并根據(jù)腐蝕鹽類種類和含量采取相應保護措施，其做法見表2。

3.2.3管道受到雜散電流干擾時，應研究安全保護措施

      埋設PCCP附近有電氣化鐵路、高壓輸電線路、電解工廠等應考慮外來直流電流引起的電化學腐蝕。PCCP外層采用了保護層的管段，保護層增加了管道絕緣電阻，可有力抵制外部流失的電流流入管道產(chǎn)生電化學腐蝕，如果安裝電流連接裝置仍能監(jiān)測到雜散電流時，應采取陰極保護。

      PCCP的陰極保護機理與鋼管不同，若陰極保護不當會使管道的預應力鋼絲發(fā)生氫脆性破壞，加速PCCP的腐蝕破壞，起到適得其反的負作用。

      美國《預應力鋼筒混凝土管道的陰極保護》(NACERP-0100-2004)標準和AWWA《混凝土壓力管手冊》M9規(guī)定下述兩項準則有效且安全，已普遍被國內外采用。

      (1）陰極極化值至少100mv準則：PCCP中被保護的預應力鋼絲應至少陰極極化100mv；

      (2）陰極極化電位避免低于-1000mv準則：應避免極化電位（CSE）比-1000 mV更低，防止預應力鋼絲的氫蝕及脆化破壞。

3.2.4電磁探測和聲發(fā)監(jiān)測技術可有力保證管道運行安全

      自1987年始，國內已,敷設一萬余公里以上的PCCP，早期埋設的管道普遍沒有涉及防腐蝕保護，隨著時間推移，管道安全性日益突出。加拿大開發(fā)PCCP的P-wave和Pipe Diver電磁探測技術、Soundprint AFO聲發(fā)監(jiān)測技術已成功對世界上最大輸水工程——利比亞大人工河PCCP進行了檢測。近期利用電磁探測法對國內西北某地區(qū)2005年敷設DN2 200長26 km PCCP檢測，發(fā)現(xiàn)近5%管道出現(xiàn)不同程度的斷絲，已經(jīng)危及管道運行安全。電磁探測和聲發(fā)監(jiān)測技術成熟，對已建和在建PCCP管道檢測、監(jiān)測，研究采用斷絲爆管預警技術，對管道進行風險管理，保護管道運行安全意義重大。

      《城鎮(zhèn)給水排水技術規(guī)范》（GB50788-2012）強制規(guī)定“地下干管其結構設計使用年限不應低于50年”，因此PCCP耐久性應引起設計充分重視，必須認真研究管道埋設環(huán)境，采取相應保護措施。

4.1  壓力管道的水錘水力特性

      水錘是壓力管道中水流速度劇烈變化引起管路壓力交替升降的水力沖擊現(xiàn)象。發(fā)生水錘時管道水流屬非穩(wěn)（恒）定流。壓力管道易發(fā)生啟動水錘、停泵水錘、關閥水錘及伴生的管道斷流彌合水錘，其中停泵水錘和斷流彌合水錘危害最大。

      水錘引起管路瞬時壓力升降值很大，國內檢測到瞬時壓力達到2～4倍工作壓力，國外資料提供數(shù)值更大，因此必須采取消減水錘危害的防護措施。

4.2  水錘防護機理與防護的安全準則

      （1）水錘防護機理可歸納出以下幾個方面：控制或減小水流速度的變值；采用水錘波速低的管材；縮短水錘波傳播距離，盡快的形成水錘波的反射和干涉；在管道特征點布置泄流降壓設施；采用空氣墊降低水錘沖擊能量等。

      （2）水錘防護技術的安全準則：最高壓力限制不超過工作壓力的1.3～1.5倍；控制管道任何部位不出現(xiàn)水柱拉斷；壓力流管路離心泵最高反轉速不超過額定轉速的1.2倍，且超出額定轉速持續(xù)時間不應超過2 min。

4.3  水錘防護措施

4.3.1 防護設施

      （1）雙向調壓塔（井）。雙向調壓塔（井）具有在干管出現(xiàn)負壓時向管道注水，干管壓力超出設定值時，塔內溢流管泄水降壓作用。同時具有縮短水錘波傳播距離，以便盡快形成水錘反射波和干涉波降低瞬時壓力的功能。雙向調壓塔（井）可設置在管路水柱易拉斷的駝峰點、膝點，設定的溢流口標高應略高于正常水位，溢流管道出口應采取防止水流沖刷破壞的消能功。

      （2）單向調壓塔（池）。單向調壓塔（池）可在輸水管道系統(tǒng)出現(xiàn)負壓時向管道注水消除負壓，同時也消減斷流彌合水錘撞擊產(chǎn)生過高壓力。單向調壓塔（池）設有單向止回閥，只允許塔中水注入管道，安裝位置不受管路高程控制，因此這方面優(yōu)于雙向調壓塔。

4.3.2 防護設備

      （1）調流閥。調流閥有活塞式、多噴孔調節(jié)式、固定錐形式。通過調節(jié)閥的開度，控制管道流速，限制瞬時壓力值；同時可設定開啟和關閉閥的時間，使管路系統(tǒng)盡快形成水錘反射波的干涉，達到消減水錘壓力值。

      （2）兩階段關閉液壓可控閥。兩階段關閉液壓可控閥在水泵啟動時能夠先慢后快地自行開啟，事故停泵時又能自動快速地關至某一設定角度，余下的角度則以相當慢的速度關閉。無論在正常啟閉水泵過程，或突然斷電后的水力過渡過程中，既能消除水錘危害，又不出現(xiàn)大量的水倒流使機泵長時間反轉。

      （3）空氣罐�？諝夤奘莾炔砍溆幸欢▔嚎s氣體的金屬罐。新型空氣罐內設有橡膠囊，囊內裝氣體，氣體與水隔離�？諝夤抟话惆惭b在泵站出口管路上，在管道發(fā)生水錘管路壓力升高時，氣囊內氣體繼續(xù)被壓縮，起到氣墊緩沖作用；當管道內出現(xiàn)壓力驟降時，甚至發(fā)生水柱分離，囊內壓縮空氣快速膨脹向管路注水，有效消除水錘危害。

      （4）水錘泄放閥、水錘預防閥。水錘泄放閥是水力式自動控制閥，當管道水錘壓力超過預先設定值，它將迅速開啟泄壓，當管道壓力降到低于設定值后，它又以可調速度緩慢關閉，不會產(chǎn)生二次水錘危害。水錘泄放閥設置在管路易發(fā)生水錘的位置。

      水錘預防閥是用現(xiàn)代電子技術和壓力傳感器代替了水力式低壓導閥，它感應第一個水錘低壓波，在高壓波來臨之前閥門即開啟，提前預防高壓波對管道和設備的破壞。水錘預防閥比水錘泄放閥具有更高的防護等級和更靈活控制方式，適用于對水錘防護要求非常嚴格的工程。

      （5）空氣閥。低壓進排氣閥、高壓微量排氣閥、真空破壞閥是空氣閥的三種基本形式，對其改造和組合可形成更多的種類。消減長輸管道斷流彌合水錘危害可采用三級排氣防水錘空氣閥和進氣微排空氣閥。

      三級排氣防水錘空氣閥是對低壓進排氣部分改進，在低壓排氣閥內增設限流盤，將低壓排氣過程分成低壓差時全速排氣，較高壓差對限流盤起動后減少了排氣面積，限制排氣速度，也就消減水柱彌合沖擊量。進氣微排空氣閥是利用真空破壞閥自動吸氣原理，管道出現(xiàn)負壓時可自動高速吸氣破壞真空，水柱彌合時大孔口自動關閉，限制高速排氣，也就降低了水柱斷流彌合撞擊，消減水錘壓力，殘留管道內少量空氣通過旁通管上微量排氣孔排出。

      消減管道水錘的防護設備很多，尚有安全泄壓多功能閥、水錘消除器、緩閉止回閥等等。

      水錘危害很大，是引發(fā)長輸管道事故的最重要因素，應認真分析研究長輸管道系統(tǒng)水力過渡過程，采取經(jīng)濟可靠的防護技術，復雜重要的工程應采取多級綜合防護措施，以保證管道安全運行。

      《城鎮(zhèn)給水排水技術規(guī)范》（GB 50788-2012）強制規(guī)定“壓力管道竣工驗收前應進行水壓試驗。生活飲用水管道運行前應沖洗、消毒。”

      該規(guī)定更是保證長輸管道質量驗收和安全運行不可缺少的重要環(huán)節(jié)。長輸管道水壓試驗可分段進行，每段管道長度宜采用1km左右，也可根據(jù)管道布置、地質、地形、水源等適當放寬。水壓試驗壓力等級可根據(jù)所選管材種類按照驗收規(guī)范規(guī)定操作。長輸管道水壓試驗段，可采用允許壓力降值和允許滲水量值控制。原水管道通水前應沖洗，生活飲用水管道運行前應沖洗、消毒。

      新建管道是未經(jīng)工程實踐檢驗的空管，首次通水事故較多，因此自充水至轉入運行應按下列規(guī)定方法操作。

      （1）認真研究制定“輸水管道工程試通水方案”和“輸水管道系統(tǒng)通水應急預案”。

      （2）充水管道應具備完整的氣體進出、分段泄水、充水小流速操作系統(tǒng)。

      （3）管道充水可分成“注水”和“升壓”兩階段操作。管道注水可自上而下全段操作，自管道的首端慢慢地注水，在管線的低凹處U型槽段注滿水，管道末端有水流出，注水階段結束。升壓階段宜根據(jù)管道布置、長度、操作設施等分段進行，當管道內水壓力達到工作壓力即結束。

      （4）管道充水應采用小流速原則，國內外一般都規(guī)定充水流速小于0.3m/s，以保證充水期間管道安全。

      （5）管道應采用調流閥，壓力流可采用單泵啟動以及利用控制閥處小口徑旁通管的方法充水，控制充水不超過0.3m/s的安全流速。

      （6）管道檢修、維修期間運行工況切換可參照上述原則操作。

      改革開放以來經(jīng)濟迅速發(fā)展，帶來國內大范圍、長距離管道輸水工程建設的高潮，工程建設的安全性引起各方面高度關注。長輸管道工程應連續(xù)不間斷向用戶供應合格的水質、水量、水壓的水，滿足生產(chǎn)和人民生活的需要是建設的目標。設計內水壓力合理取值，PCCP關鍵技術尤其水錘危害防護技術研究以及管道系統(tǒng)多功能性試驗和新建管道工程通水運行都是保障工程安全，保證用戶水質、水量、水壓達標的十分重要環(huán)節(jié)，必須認真研究、認真對待。