摘要：本文介绍了中钢设备有限公司在玻利维亚苏亚雷斯港总承包玻利维亚穆通钢铁公司（以下简称为“ESM”）年产19万吨综合钢厂配套115km取水管线EPC项目。在该项目中作者通过勘察、管材选择、水利计算等对该长输取水项目进行了深入研究。
关键词：115km取水管线；EPC项目
zhangweihua
（Beijing SINOSTEEL EQUIPMENT ENGINEERING Co.，Ltd.Beijing，100080，China）
ABSTRACT：The paper described Empresa Siderúrgica de Mutún 115km Water intaking pipeline EPC Project.The paper research by geological survey、pipeline select hydraulic calculation and so on.
KEY WORDS：115km Water intaking pipeline EPC Project
中钢设备有限公司在玻利维亚苏亚雷斯港为玻利维亚穆通钢铁公司（以下简称为“ESM”）总承包了年产19万吨综合钢厂，项目资金为中国政府提供的买方信贷，项目建设为EPC交钥匙模式。穆通钢厂项目是中国公司截至目前在海外承接的范围最完整的全流程综合钢厂建设项目，该项目位于玻利维亚苏亚雷斯港，靠近巴西的南托马格罗索州和巴拉圭的上巴拉圭省，其地理位置详见图1-1。拟定地块面积522.6公顷，其中主厂区的面积约41.3公顷，尾矿库面积约26.9公顷。项目建设内容包括82万吨/年的选矿厂、40万吨/年的球团厂、25万吨/年的直接还原铁厂、20.9万吨/年的炼钢厂、19.4万吨/年的棒线材轧钢厂以及108MW燃气发电厂及配套公辅设施包括为全厂配套的供水项目115km取水管线EPC项目。中钢设备有限公司作为总包方负责全厂的地质勘察、选矿试验、设计、供货、施工、试车、培训及投产后一年的运营服务工作，建设工期30个月，前期的勘察、三通一平与地基处理，银行融资可行性研究、项目环评报告，均属合同承包范围。巴拉圭河115km外部输水管线项目是穆通钢厂项目的一个重要子项，是穆通钢厂的生命线。
作者本人在穆通综合钢厂巴拉圭河115km外部输水管线项目担任项目经理。
前期勘察工作
对115km管线的勘察测量工作分了2个步骤，分别于2017年6月份的初勘和2017年的详勘。①.初勘工作：对沿线高程的分析，发现自巴拉圭河取水点开始向北90km内地势平坦，地面高程约80m～90m；然后从105km处开始地面高度陡然升至215m，直到111km处，地面高度重新回至148m。整个沿线（蓝线）的剖面图如图1-3所示
图1-1.拟建钢厂位置示意图 图1-2穆通钢厂115km取水路线图 图1-3
测绘内容，从玻利维亚穆通钢厂到巴拉圭河规划取水点，沿线115km，宽度60m，测绘带状地形图（以场地内现状路中线为基准，两侧各30m），成图比例尺1：1000。对线路进行初步的工程地质测绘工作，初步划分地貌单元、地表岩土层分布情况，以及不良地质作用与特殊土的分布情况，提出可能需要进行地基处理或采用深基础的范围，为下一步勘测工作提供依据。对线路进行初步的工程地质测绘工作，初步划分地貌单元、地表岩土层分布情况，以及不良地质作用与特殊土的分布情况，提出可能需要进行地基处理或采用深基础的范围，为下一步勘测工作提供依据。
1）沿线20个测量控制点分布图（DWG）；
2）沿线20个测量控制点坐标成果表（DOC）；
3）穆通钢厂至巴拉圭河取水点沿线带状地形图数据（DWG）；
4）穆通钢厂至巴拉圭河取水点沿线DOM数据（TIF）。
②.详细勘查工作：巴拉圭河供水管线的勘察及测绘。线路全长约115km，在进行勘察的同时，乙方还将对供水管线路由进行横、纵断面测量和沿线工点、取水泵站、加压泵站的1：500地形图测绘、巴拉圭河“取水头”河床地形图及水下断面测绘等工作。本次勘察将在前期工程地质测绘的基础上，结合设计路由及现场环境条件，采取工程钻探、原位测试、室内试验等手段进一步调查取水线路沿线的地形、地貌、工程地质条件等资料，为施工图设计和施工提供所需的岩土参数及相关建议；同时进行横、纵断面测量、工点地形图测绘、取水头河床地形图及水下断面测绘等工作，为取水线路的施工图设计提供基础技术资料。
自巴拉圭河取水口（对应公里标137km）向北约100km（对应公里标37.5km）范围内地势平坦，地面高程约81.0m～84.0m，沿线主要为灌木及水草，局部为乔木覆盖。地貌单元属巴拉圭河洪泛平原。
自公里标37.5km处，地形标高由约83.0～84.0m开始攀升，至公里标27.7km处达最高点标高约191.0m，而后自公里标27.7km至公里标约25.0km段标高下降至约125.0m。地貌单元属剥蚀堆积缓坡～剥蚀斜坡。
自公里标25km处，地形标高由约125.0m开始缓慢下降，至公里标24km处约119.0m，而后标高由约119.0m缓慢升至主厂区约134.5m。地貌单元属山前洪积准平原。
根据钻探揭露，沿线第四系主要由全新统填土、粉质黏土、粉砂及上更新统黏土、含黏性土角砾～钙质胶结碎石层（钙华）、坡积碎石土组成，基岩主要为志留系泥质粉砂岩（S）、震旦系赤铁矿（Z）。
调查期间属于旱季，管线路由自主厂区至公里标37.5km处，未见大面积地表水分布，仅在加压泵站（公里标约37km）南侧见宽约8～10米的水沟，水深约0.4米。自公里标约37.5km至60km，地表水主要分布于穆通-布希港公路两侧人工开挖的水沟内，水沟宽约10m，水深一般0.5～2.0米，路面高出现状水面1.0～1.5m。自公里标60km至公里标137km，广泛分布有地表水，水深约1.0～2.0m，水面标高约81.6～81.9米。
调查期间，供水管线沿线在钻探深度不超过6米范围内未见稳定的地下水分布。根据现场钻探结果，自公里标约37.5km至137km大部分地段被地表水淹没，沿线存在的第2层细砂在钻进过程中，未发现明显的塌孔，未发现有水位变动等现象，初步判定沿线赋存承压水的可能性不大。
图1-4 巴拉圭河洪泛平原
图1-5 洪泛区的道路与水沟
取水规模和取水点
本工程用户穆通钢厂用水量为340m3/h，设计在巴拉圭河取水，经输水管线输送至穆通钢厂，输水管线全长约115km。本工程输水管线较长，沿线需翻越小山，管道压力较大，故管道漏损水量按用水量的20%考虑，因此，本工程取水量为：340x（1+20%）=408 m3/h=9792m3/d，取水规模按10000m3/d。
图2-1 拟选取水点位置河流情况图
本工程拟在输水管道路由起点附近选择取水点，巴拉圭河在此处形成了一座江心洲，分为两条河汊，通过上图可以看出，东侧支汊下游淤积严重，应为衰亡河汊，西侧支汊为发展河汊，在顺直河段上，取水构筑物位置宜设在河床稳定、深槽主流近岸处，通常也就是河流较窄、流速较大，水较深的地点，在取水构筑物处的水深一般要求不小于2.5～3.0m。有足够的水深在弯曲河段上，取水构筑物位置宜设在河流的凹岸；如果在凸岸的起点，主流尚未偏离时，或在凸岸的起点或终点；主流虽已偏离，但离岸不远有不淤积的深槽时，仍可设置取水构筑物，取水构筑物应避开桥前水流滞缓段和桥后冲刷、落淤段，一般设在桥前0.5～1.0km或桥后1.0km以外；取水口不宜设置在码头附近，取水构筑物应设在码头影响范围以外，距码头边缘至少100m，并征求航运部门的意见；取水构筑物与丁坝同岸时，应设在丁坝上游，与坝前浅滩起点相距一定距离处，也可设在丁坝的对岸，丁坝下游不宜设置取水口；拦河坝上游流速减缓，泥沙易于淤积，取水口设在闸坝上游时，距坝底防渗铺砌起点约100~200m处，设在闸坝下游时，不宜与闸坝靠的太近，闸坝泄洪或排沙时，下游产生冲刷泥沙增多，取水构筑物宜设在其影响范围以外的地段。因此本工程可在输水管道路由起点同侧河岸选择取水点。
取水构筑物形式的选取
取水构筑物形式的选取原则：取水构筑物形式选取受取水构筑物处的河流地形、水文情况，地质情况等影响较大，总体上来讲，要能取得好水质、运行安全、维护方便、节省投资和施工简便。
1）充分考虑河流主流位置和水位变化及岸边情况
当河道水位变幅较小、主流近岸、河床稳定、岸边有足够水深、岸坡较陡且地质条件较好时，可选用岸边式取水构筑物；当河流主流偏离岸边、水位变幅较大、岸边水深不足等无法采用岸边取水方式时，可考虑深入河中心设置河床式取水构筑物。
2）考虑取水构筑物选址处的地质情况
岸边式取水构筑物需在地质条件较好，河岸不易受冲刷影响的情况下方可选用；对于河床式取水构筑物，通常，当河床为岩石、砂土及较硬的黏土、砂黏土地基时，多采用桥墩式或箱式；对中等密实的土壤地基，一般采用箱式；对软弱地基，可采用桩架式；对砂砾石地基，可用沉井式取水头部；
3）在河道上设置取水头部时，应合理的选择头部外形，使其尽量减少对水流的阻塞，并应考虑足够的防冲深度，采取适当的护底措施；
4）、取水头部的设计应尽量把泥砂和漂浮物阻拦在取水头部之外，避免引起不良后果；
5）、结合当地洪水情况，充分考虑河床淹没式取水头部的安全稳定问题；
6）、结合当地施工条件，选择施工难度较低的取水方式。
取水头部的形式繁多，一般有管式、蘑菇式、鱼形罩式、箱式、桥墩式、岸边隧洞式、枢架式、纵向底流槽敞开式、活动式、斜板（管）式等。以平面形状不同可分为圆形、椭圆形、棱形、矩形、梯形、管形、混合形等。以结构材料分有钢筋混凝土结构、钢结构、石砌结构等。
图3-1 岸边式取水构筑物
图3-2 河床式取水构筑物
水泵选型比选
本工程对取水泵站机组选型按2用1备和1用1备进行了论证比较。
1用1备方案机组选用Q=380m3/h，H=130m，N=315kw卧式离心泵2台（1用1备）。该方案的优点是备用水泵的备用容量为100%，保证水泵在工况状态下流量和扬程相对稳定；缺点为设备用电负荷大，经济效益较差，如果工作水泵发生故障，将导致备用泵使用前输水管路断水，造成水锤影响。
2用1备方案机组选用Q=190m3/h，H=130m，N=132kw卧式离心泵3台（2用1备）。该方案的优点是多台泵联合运行，当并联工作的水泵中有损坏是或例行检修时，其水泵房仍可继续供水，可以通过开停水泵的台数来调节泵站的流量和扬程，更具备灵活性和可靠性.；缺点为如果工作水泵发生故障，将导致输水管道流量发生瞬时变化，造成一定的水锤影响。
经过分析论证，取水泵站水泵建议采用2用1备。
输水管管径及数量的选择
在洪泛区，一般采取沉管或水平定向钻或其它工法，沉管工法优先选择。
沉管施工时应在岸上预先连接成段。在沟边预制、横向移动下水时，应多点起吊，控制弯曲半径应符合表5的规定；在管沟延长线上预制、纵向牵引下水时，预制长度不宜超过400m。预制管长度应比水下长度超出至少20m，试压合格后方可移至水面进行沉管作业。
沉管时应从管道一段灌水入管，使管段顺次沉没。
水平定向钻施工，扩孔孔径不应小于管材外径的1.5倍。扩孔完成后，应及时进行管道的固壁和排泥，定向钻采用的泥浆相对密度应在1.1-1.2。
管材入土角度应控制在3°以内，出土角度应控制在5°以内。
水平定向钻铺设钢骨架复合管，正常回拉力不应超过表5规定的稳态拉力值，拉力波动峰值不应超过表5规定的瞬间最大拉力值。
管道入土一端应留有足够的工作面，必要时可开挖引沟，引沟与入洞口应圆滑过渡。
管材的预制长度应大于定向钻穿越的曲线长度至少20m，预制完成后，应先进行管道功能试验。
钢骨架塑料复合管爆破压力不小于3倍公称压力，并具有一定柔性，对管道压力波动具有较好的适应能力。在经济流速下钢骨架复合管的水锤压力在（0.2-0.6）Mpa范围内，约为（0.1-0.4）PN，即使按照公称压力运行，在出现水锤时最大压力也不会超过1.5PN，管道仍具有足够的安全性。
钢骨架复合管的热膨胀系数为钢管道的3倍，约为HDPE的1/3。温度变动35℃时，管道伸缩量约为1‰。由于钢骨架复合管弹性模量较低（约4GPa），上述变形引起的热应力约为4MPa，该应力在管材本身的安全耐受范围内，因此只要采取可靠的措施，可不进行专门补偿设计。
钢骨架复合管使用中几乎不用维护，所以检查井并不做硬性规定。
水锤影响分析及防治措施
在压力管道中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭或开启，水泵机组突然停车等），使得水的流速突然变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，这种水力现象称为水锤。
（1）产生条件：
1）阀门突然开启或关闭；
2）水泵机组突然停车或开启；
3）单管向高处输水（供水地形高差超过20m）；
4）水泵总扬程（或工作压力）大；
5）输水管道中水流速度过大；
6）输水管道过长且地形变化大。
（2）主要危害：
水锤引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至几十倍。这种大幅度的压强波动，造成的危害有：
1）引起管道强烈振动，管道接头断开，破坏阀门，严重的造成管道爆管，沿途房屋渍水，供水管网压力降低；
2）引起水泵反转，破坏泵房内设备或管道，严重的造成泵房淹没；
3）造成人身伤亡等重大事故，影响生产和生活。
长距离输水管道产生水锤的条件：在长距离输水工程中，停电和停泵后管道中的水压力，特别是管线的凸起处常常降低到蒸汽压力以下，引起液体局部汽化产生空泡或水柱分离及其弥合，诱发最大水锤压．对管道的正常运行构成严重危害。
（1）开（关）阀水锤：
开关水锤有直接水锤和间接水锤，延长开阀和关阀的时间，可避免产生直接水锤。离心泵、混流泵应在阀门关至15%—30%时而不是全关时停泵，这样可以降低水泵出口压力，防止水泵振动及延长阀门使用寿命
（2）启泵水锤
1）排除管道空气，使管道充满水后再开启水泵。凡是长距离输水管道的隆起处各点应设置自动排气阀或设置充水设施。
2）当水泵必须在空管启动时，可采用分阶段开阀启泵方式。
（3）停泵水锤
给水管中的水在断电后的最初瞬间，主要靠惯性以逐渐减慢的速度继续向水池方向流动，然后流速降到零。管道中的水在重力水头作用下，又开始向水泵倒流，速度由零逐渐增大。由于管道中水的流速变化，从而引起水锤现象的发生。
常用水锤防治措施分析
1）降低输水管道的流速，增加管道直径、壁厚，可在一定程度上降低水锤压力。
2）选用转动惯量GD2较大的电动机或加装有足够惯性的飞轮，可在一定程度上降低水锤值。
3）减少输水管道长度，管线愈长，停泵水锤值愈大。输水管线布置时，减少管路布置的陡峭度，尽量布置平缓管路，应考虑尽量避免出现峰点或坡度剧变，在管路中各峰点安装可靠的排气阀，避免产生弥合水锤。
4）通过水锤计算，失电停泵水锤的大小主要与水泵的扬程有关，扬程愈高，停泵水锤值也愈大。因此，应根据当地实际情况选用合理的水泵扬程。
5）停泵水锤主要因为出水管道止回阀关闭过快引起，因此，取消止回阀可以消除停泵的危害，并且可以减少水头损失，节约能耗；取消止回阀时应进行停泵水锤压力计算，为减少和消除水锤，目前常在大口径管道上安装微阻缓闭止回阀。目前更多的是采用水泵控制阀。
多功能水泵控制阀由主阀和调节阀及接管系统组成，主阀控制室为膜片式或活塞式的双控制室结构，控制室比一般水力控制阀增加了一个，增加了对主阀的控制功能，实现了对水泵出口的缓慢开启、全开、缓闭、截止等多功能控制，可有效防止和减弱水泵启闭时管线的水锤水击，防止水倒流保护水泵，维护管路安全。
图4-1 多功能水泵控制阀实物图
6）紧靠止回阀并在其下游安装水锤消除器，管道中的水锤压力通过开启的水锤消除器泄掉，即利用管道本身的压力为动力来实现低压自动动作，即当管道中的压力低于设定保护值时，排水口会自动打开放水泄压，以平衡局部管道的压力，防止水锤对设备和管道的冲击，通常用的水锤消除器有下开式停泵直接水锤消除器、自动复位水锤消除器、自动复位的下开式水锤消除器、气囊式水锤消除器四种。某些水锤消除器无自动复位功能，容易因误操作导致发生水锤。
7）输水管路设空气阀
在泵站的压力高点及各输水管道上的安装空气阀，在输水管道产生水锤出现负压时，空气阀开启，令管道外空气进入管道，以免在管道内产生较大的负压，起到保护作用；根据输水管线坡度坡度值设置空气阀，对多起伏管道，在各个高点处均设置空气阀。此外，在水泵出口、止回阀、管线隔离阀、水表或自动计量阀等重要位置也应设置空气阀。
图4-2防水锤空气阀实物图
8）安装气压罐，它利用气体体积与压力的特定定律工作。随着管路中的压力变化气压罐向管道补水或吸收管路中的过高压力，其作用与双向调压塔类似。
9）采用PLC自动控制系统，对机泵进行变频调速控制，对整个供水泵房系统操作实行自动控制。因供水管网压力随着工况的变化而不断变化，机泵工频运行时经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏，采用PLC自动控制系统，通过对管网压力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平，可以通过控制微机设定机泵供水压力，保持恒压供水，避免了过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。
论文作者:张卫华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/14
标签：管道论文; 巴拉圭论文; 水泵论文; 构筑物论文; 管线论文; 压力论文; 沿线论文; 《基层建设》2019年第21期论文;