中国水利水电第十四工程局有限公司 云南昆明 650041
摘要：南水北调中线工程输水干渠地跨河南、河北、北京、天津4个省、直辖市，为沿线十几座大中城市提供生产生活和工农业用水，解决了其水资源短缺问题，具有十分重要的战略意义。其供水范围内总面积15.5万平方千m，输水干渠总长1277公里。随着近年来基础设施的不断完善，诸如桥梁、码头、公路、铁路、地铁、船闸、管道、线缆、取水、排水等工程不断建设实施，其不可避免的需穿越或跨越南水北调中线工程。为保障南水北调中线工程的运行，本文依托廊坊市安次区2019 年地下水超采综合治理农村生活水源置换项目工程，从通过方案及管材选择两个方面拟定多项实施方案并进行比选，以期选定最佳实施方案，为后续类似方案提供借鉴经验。
关键词：输水管线；跨越；南水北调；既有；方案比选
1 前言
河北省是典型的资源型缺水省份，地下水超采量和超采面积均为全国的三分之一，是全国最大的地下水漏斗区，地下水超采引发一系列生态和地质灾害问题。安次区作为超采区，由于连年超采，特别是深层地下水超采，引发地下水降落漏斗的形成及扩大加深、咸水扩散和地下水污染等严重危害。同时，安次区处于高氟区，含氟量超过2.0mg/L。为保障农村居民的生命健康和正常生活、全面建设小康社会的实现，安次区依托既有南水北调优质地表水源替代高氟水、苦咸水等劣质水源，从根本上解决农村群众饮用高氟水、苦咸水问题，并实现地下水压采。
廊坊市安次区2019 年地下水超采综合治理农村生活水源置换项目利用水源为廊坊市安次区地表二水厂。水源来自天津干线得胜口口门，南水北调原水经地表水厂处理净化后供给农村水厂，经农村水厂二次消毒后加压输送至农村用户。本工程为地表水厂至农村水厂的管道连通工程。南区供水线路连接廊坊市安次区地表二水厂和三座农村水厂（葛渔城水厂、葛渔城二水厂和东沽港水厂）。廊坊市安次区地表二水厂位于天津干线南侧，供水目标葛渔城水厂、葛渔城二水厂和东沽港水厂均位于天津干线北侧，详见图1.1。因此，供水线路无论如何选择，都不可避免地需要与天津干线交叉。
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图1.1地表水厂、农村水厂及南水北调干线工程相对位置图
2跨越概况
廊坊市安次区2019 年地下水超采综合治理农村生活水源置换项目工程主要任务为地表净水厂至安次8 座农村水厂供水管道连接工程，达到水厂水源置换的目的，减小地下水开采量。工程分为南北两区，线路总长68.33 km，涉及安次区仇庄乡、杨税务乡、东沽港镇、调河头乡、落垡镇、葛渔城镇和码头镇7个乡镇，共计256个村街，23.85万供水人口。北区由廊坊市安次区地表一水厂向仇庄水厂、落垡水厂、杨税务二水厂、码头水厂、调河头水厂五座农村水厂供水，规模为17000 m³/d，线路长度45.07km，管径范围为De315（DN300）-DN600；南区由廊坊市安次区地表二水厂向葛渔城水厂、葛渔城二水厂、东沽港水厂三座农村水厂供水，规模为10000 m³/d，线路长度23.26 km，管径范围为De315-DN500。
南水北调天津干线箱涵管身断面为3 孔钢筋混凝土箱型结构，每孔净尺寸为4.4×4.4m，结构断面尺寸为顶板厚0.60m，底板厚0.70m，边墙厚0.60m，中墙厚0.50m。混凝土强度等级为C30，抗冻标号为F150，抗渗标号为W6。管节之间接缝设一道橡胶止水带和一道双组份聚硫胶止水。
根据《其他工程穿越跨越邻接南水北调中线干线设计技术要求》暗涵、隧洞、管道等地下输水工程为工程设施上方地面以及从其边线向外延伸至50 m以内的区域。
3线路的选择及确定
3.1 线路及跨越位置的选择设计
线路1：
管线从廊坊市安次区地表二水厂北侧围墙接出后向北敷设，与天津干线在A 点交叉后继续向北敷设约70 m，再向东敷设约1850 m，然后向北敷设约320 m后接出支线。
线路2：
管线从廊坊市安次区地表二水厂南侧围墙接出后向东敷设约1400 m，再向北敷设约170 m后与天津干线在B 点交叉后向东敷设约470 m，然后向北敷设约465 m后接出支线，接出位置同线路1。具体线路比较见图3.1。
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图3.1线路及交叉点比较图
3.2 线路及跨越位置的确定
线路1 与线路2 长度相差不大。线路1 从地表二水厂北侧围墙接出，线路2 从地表水厂南侧围墙接出，考虑到地表水厂内构筑物及供排水管线的布置，线路1 更符合地表水厂的设置要求。线路2 靠近112 国道，而国道两侧房屋比较密集，征占地十分困难，并且线路2可能会影响国道附近城镇规模的扩大，因此线路1 比线路2 更有优势。综合比较后，本工程选择线路1 为最终方案，同时供水管线与天津干线在A 点（XW122+916.5 处）交叉。
4交叉通过方案比选
供水管线跨（穿）越天津干线拟比较以下两个方案：
4.1直埋敷设
在天津干线现状箱涵上部采用人工明挖的方式敷设。该方案是较简单快捷的施工方式。方案具有施工简便、造价低、便于后续检修等优点，尤以实际运行的检修方便快捷，供水管道建成后对南水北调管道的影响小。
4.2顶管穿越
在天津干线现状箱涵下部采用顶混凝土套管的方式穿越。该方案混凝土套管管顶距离箱涵外底需大于5 m，因此管顶覆土大于15 m，埋设深度大，容易对箱涵基础产生影响，并且该方案的工作坑和接收坑需要较大工作面、顶管施工周期长、施工难度大、造价高，后期维修需再次开挖。
4.3通过方案确定
综上所述，供水管道经过天津干线现状箱涵方案，以保证干线安全性为主要条件，以满足供水管道运行安全可靠的工艺要求为基本原则，根据项目现场实际情况的详细对比分析，鉴于下穿深度较深，顶管超挖引起的地面沉降不易控制及投资较高，本工程供水管道采用明挖方式跨越天津干线现状箱涵的工艺方案。
5管材的比较与确定
5.1管材选择的要求
本工程属跨越南水北调工程管线工程。按照《其他工程穿越跨越邻接南水北调中线干线工程设计技术要求》中规定管道工程穿（跨）越段设计等级、输电线路穿（跨）越段设计安全系数应在原设计基础上提高一个等级。
5.2管材类型比较
本次输水管道的管径及投资等比较以下几种管材，目前我国常用的输水管材：给水用聚乙烯PE 管（PE）、预应力钢筒混凝土管（PCCP）、玻璃钢管（GRP）、钢管（SP）、球墨铸铁管（DIP）。
（1）给水用聚乙烯PE 管
①内壁平滑，摩阻小，n 值为0.009，过流能力强。
②原料为绿色环保材料，无毒、不腐蚀、不结垢、可回收再利用。
③使用寿命长，大于50 年。
④管道单节管较长，接口少，整体性好，故障率低，减少日常维护费用。
⑤管道自身较轻，运输和施工方便。
⑥接口型式采用电熔、热熔焊接，接头密封好，无渗漏。
⑦土质良好的情况下无需基础。
（2）预应力钢筒混凝土管（PCCP）
PCCP 内部嵌置一层1.5mm 厚钢筒，在管芯上缠绕环向预应力，采用机械张拉缠绕高强钢丝，并在其外部喷水泥砂浆保护层。该管的特点是由于钢套筒的作用，抗渗能力非常好。具有SP 和PCP 双重优点。
① 承受内外压较高。由于PCCP 有内衬钢板，抗渗能力强，其结构能承受较高的内压，工作压力0.4～2.0MPa；其预应力钢丝可根据管顶覆土厚度进行设计，其抗外荷能力也较强，一般可达8m 以上，由于管材本身独特的复合结构，不易出现管身漏水、接头漏水以及爆管现象。
② 管材内表面光滑，经水力摩阻试验测定：n=0.0107。使用寿命可达50 年以上。
③ 接头密封性好。PCCP 采用钢质承插口，尺寸精度高，承口呈钟型环状，插口有带凹槽的异型钢，置于凹槽内胶圈受双向挤压形成很好的密封力，且胶圈定位好，管材可在管道止推点附近通过焊接或铠装部分接头以抵抗推力，由于构成管材的钢材被密实的混凝土及砂浆包裹，经防腐处理的承插口安装后其外露部分又用砂浆灌注封口，混凝土或砂浆提供的碱性环境使得构成PCCP 内部的钢材钝化，从而防止其腐蚀。
④ 重量大。
虽然预应力钢筒混凝土管具有诸多优点，但管径范围一般为：DN1400～3000，不适合本工程中使用。
（3）玻璃纤维增强热固树脂夹砂管（GRP）
GRP 的生产和应用在我国起步较晚，目前主要有缠绕加砂玻璃钢管和离心浇筑加砂玻璃钢管，主要特点如下：
①内壁光滑，离心浇筑工艺n 值达0.0084，缠绕加砂工艺n 值0.0084～0.011，输送同流量介质能耗低。
② 承受内压高，特别是缠绕加砂管可承受内水压达6.4MPa，是高压输水管道理想管材。
③ 接口密封性好。
④ 不存在防腐问题。使用寿命50 年以上。
⑤ 重量轻。在内径相同的情况下，单位长度重量的GPR 管只有钢管的1/5、铸铁管的1/6、预应力钢筋混凝土管的1/12 左右。
⑥ 热膨胀系数小。由于FRP 管道热膨胀系数小，在使用中不需要加温度补偿器（伸缩节）。可在地表、地下、架空、海底、高寒、沙漠、冰冻、潮湿、酸碱等环境下使用。
⑦ 国内生产的GRP 管道在实际工程应用中，管道安装及运行的经验和资料积累较少。
⑧ 对沟埋技术要求严格。由于GRP 刚度相对其它管材低，受外荷作用变形性大，因此对管道基础和回填要求严格。根据当地使用该管材经验表明，质量不易控制，因此本工程不予推荐。
（4）焊接钢管（SP）
① 可设计性强。因钢管环向强度、弹性模量较高，根据承受的内水压力和管顶外荷条件，对钢管的刚度、强度和稳定计算，以确定管径、管型和管壁厚度。
② 管道内、外需做除锈和防腐处理。
③ 使用年限一般20～30 年。
（5）球墨铸铁管（DIP）
球墨铸铁是一种铁、碳、硅的合金，其中碳以球状游离石墨存在。灰铁中，片状石墨对铁基质产生“割裂”作用，使之脆裂。球墨铸铁中，球状石墨消除了这种作用，使之坚韧，具有铁的本质、钢的品格。
其主要特点有：
① 具有卓越的承压能力；
② 具有良好的防腐性能；
③ 密封性好；
④ 抗震性能高；
⑤ 重量轻、安装快，但价格稍高。
表5.1 几种材质管道的性能比较
5.3 管材比选结论
根据管材性能等多方面的比较，给水用聚乙烯管连续性好，接口较球墨铸铁管及钢管密封性能好，给水用聚乙烯管耐冲击性能好，施工方便快捷，后期基本无维护费用，因此本工程跨越天津干线箱涵段推荐使用连续性能及抗腐蚀性强的PE100 级给水用聚乙烯管。
5.4跨越方案确定
根据《其他工程穿越跨越邻接南水北调中线干线设计技术要求》暗涵、隧洞、管道等地下输水工程为工程设施上方地面以及从其边线向外延伸至50 m以内的区域。本工程局部跨越天津干线，采用明挖形式施工，跨越方式且跨越角度为85°正交（不小于60°）。跨越管道采用PE 100 级给水用聚乙烯管（1.0Mpa），外套D820*9 焊接钢管。
6 结语
本文通过廊坊市安次区2019 年地下水超采综合治理农村生活水源置换项目工程穿越或跨越南水北调中线工程方案比选，从通过方案及管材选型等方面入手，为南水北调干线工程权属方及新建工程建设方提供了一种施工简便、造价低、安全环保、便于后续检修的设计思路，可为后续类似工程提供宝贵的借鉴经验。
参考文献：
[1] Q/NSBDZX J013-2015，其他工程穿越跨越邻接南水北调中线工程设计技术要求[S].
[2] Q/NSBDZXJ014-2015，其他工程穿越跨越邻接南水北调中线干线对南水北调中线干线工程的安全影响评价导则.
作者简介：
靳言言（1989-），男，宁夏固原人，工程师，主要从事项目管理工作。
方 越（1988-），男，陕西西安人，工程师，主要从事工程技术管理工作。