关键语：夹砂玻璃钢管，水电站，复合材料，应用，经济比较
摘要：结合在加答河水电站中应用的一些设计与施工情况，介绍了夹砂玻璃钢管的主要特性、优点和施工注意事项，供有关设计、施工人员进行参考与讨论。
1前言
玻璃钢管是由连续纤维、不饱和聚酯树脂和填料组成的新型复合材料管，该产品采用计算机控制，以连续缠绕方法成型，具有系列优良的特性，在欧美等发达国家中应用相当广泛。20世纪50年代中期问世的玻璃纤维缠绕夹砂管，是在原玻璃钢管生产过程中添加数层树脂石英砂浆层而成，使整个管壁成为夹层结构，既提高了管材的刚度和强度，又降低了生产成本。夹砂玻璃钢管制作工艺自20世纪80年代传入我国后，已在石油、化工、煤矿、市政供排水等领域中得到了广泛的应用。
夹砂玻璃钢管承受压水头虽已可达到250m以上，但作为一种新型的非金属复合管材，中高水头小水电站中的输水管路仍是以传统的压力钢管为主，采用夹砂玻璃钢管的极少。
2工程概况
加答河水电站坝位于陵水河支流加答河中上游河段，属海南省保亭县什玲镇境内，坝址集雨面积10.23km2，设计水头140m，装机容量2×500kW，设计流量0.96m3/s，引水管道长420m，管道纵坡约1:3，年设计发电量约370万kW.h。加答河水电站原初步设计报告中规划采用压力钢管方案，主管内径采用φ600，主管长度420m，主管水头损失7.8m。
3采用夹砂玻璃钢管的可行性分析
3.1夹砂玻璃钢管的优点分析
夹砂玻璃钢管与传统的压力钢管相比，具有如下特点：
（1）耐腐蚀性能
与压力钢管相比具有优良的耐化学腐蚀性能，它的内衬采用耐腐蚀性能优良的树脂（饮用水管道采用食品级树脂）作为原材料，所以不需要任何防腐处理，而且在运行中始终保持内表面光滑无垢。而压力钢管运行一段时间后内表面光滑度下降，水头损失增大，需要经常性维护。
（2）重量轻，安装、运输方便
夹砂玻璃钢管道比重约为1.6左右，仅是钢管或铸铁管的1/4～1/5。实际应用表明，在承受同样内压的前提下，同口径、同长度的玻璃钢管道，其重量约为钢管的30％左右，因此玻璃钢管道在运输时可节省油耗及其它费用。安装时，对中小口径的玻璃钢管道一般不需用重型机械，有的甚至可通过人工搬运，从而可大大提高了安装速度。
（3）水力学性能优良
夹砂玻璃钢管道内表面光滑，内壁绝对粗糙度仅为0.01，而压力钢管的绝对粗糙度为0.1～0.2。通过缠绕玻璃钢管道和新碳素钢管道进行水头损失计算表明，当通过流量相同时，夹砂玻璃钢管道所引起的压头损失仅约为同管径新碳素钢管的0.856倍。
（4）比强度高、力学性能合理
缠绕玻璃钢管道轴向拉伸强度为160～320MPa，接近于钢管，比强度更高，在结构设计时，管材自重可大幅度减轻，安装十分容易。
（5）接头少、连接方式多样灵活
缠绕玻璃钢管道单管长度一般为6～12m，在长距离管线安装时，所需接头较少，既能使流动水阻降低，也减少了施工费用。同时，管线因接头多而发生渗漏的可能性也较钢管大为降低。另外，缠绕玻璃钢管道的接头方式有多种，主要包括：承插胶接、平端对接、（活套）法兰连接、（带锁紧装置）O形圈连接、螺纹连接等，可根据具体施工条件，灵活选择接头方式，从而提高了工程的可靠性。
（6）具有优良的绝缘性能。
它的导热系数只有钢管的1%，具有优良的绝缘性，更加适应于多雷区。
（7）使用寿命长、安全可靠。
夹砂玻璃钢管道经久耐用，安全系数一般都在4以上。据实验室的模拟试验表：一般夹砂玻璃钢管的寿命可达50年以上，是钢管和混凝土管的2倍。
3.2夹砂玻璃钢管参数的确定
（1）夹砂玻璃钢管管径的确定
原初步设计的φ600钢管水头损失hf为7.8m，本次按不超7.8m确定夹砂玻璃钢管的管径，水头损失由哈森-威廉公式计算，计算公式为：
hf=f•v2/(2Dg)
f=194.62/(C1.852D1/6V0.148)
式中：C—玻璃钢管取150；f—摩阻系数；D—管道计算内径,m；V—流速,m/s；g重力加速度9.81。
经计算，直径为φ500时，夹砂玻璃钢管水头损失hf为13m；径为φ600时，夹砂玻璃钢管水头损失hf为5.9m。因此按φ600选定夹砂玻璃钢管。
（2）夹砂玻璃钢管管壁厚度的确定
本工程采用冲击式水轮机，机组折向器偏离转叶时间小于3s，为确保管道安全，取折向器关闭时间为30s。本工程设计引水流量Q=0.96m3/s，主管直径φ=600mm，主管流速为3.7m/s，通过正水锤计算确定管壁厚度如下表：
管壁厚度计算成果表
3.3技术经济比较
压力钢管造价与夹砂玻璃钢管的技术经济比较如下表：
由此可见，对于相同口径的管材，夹砂玻璃钢管价格低于压力钢管。若考虑到管道长期使用的维护费用和动力消耗等其它的运行费用，以及使用年限和输送能力等因素，夹砂玻璃钢的优越性就更为明显。因为夹砂玻璃钢管具有一系列的优点，经综合考虑，决定在加答河水电站中采用夹砂玻璃钢管。
4夹砂玻璃钢管工程的施工
4.1管道的运输和存放
夹砂玻璃钢管在运输的过程中不能受到剧烈的撞击，但不同管径的管道允许套管装运。当管道直接放于地上时，需要注意地面平坦，不能有石块和容易引起管道损坏的尖利物体，堆放的管道需加垫木楔以防止滚动。应保证管道在强风、不平的地区或其它水平条件下堆放的管道最大径向挠曲不超过直径的1.5%，不允许凸起、扁平和其它突然的曲率变化。
4.2管道的安装
管道沟槽开挖管的深度需根据管道设计、使用条件、管道的性能、管道的尺寸及现场条件决定，例如土壤的性能、静态荷载、动态荷载等，同时应保证埋入地下的管道不受地下水的漂浮力的影响。
管道的垫层应遵照要求使用砂或砾石。垫层压实度应达到0.9以上，以保证管道有足够的支撑。在管道的接头处，为满足安装的需要，接头处需超挖，安装时管道不得离开管底表面，安装结束后，再按要求夯实接头处的超挖部位。如果在管沟遇到岩石、硬土层，松软而不稳定的土壤或高度膨胀的土壤，需要增加垫层的厚度。
管道在连接好后，管区需要马上回填，这样可以防止管道的浮动和热变形的发生。回填应分层填筑，填土的压实度为0.9～0.95，每次填筑厚度约150～300mm。当回填材料回填到管道的起拱线时，为避免管道受到外来夯击荷载的作用，所有夯实都应从管沟壁开始逐渐向管道靠近。
在高压管道中，为固定管道，需在管道转弯处设置镇墩。弯头附件可采用钢管弯头，钢管弯头与玻璃钢管采用法兰连接的方式。有条件的也可制作夹砂玻璃钢管弯头，成型工艺有手糊成型和缠绕成型二种。
5结论
夹砂玻璃钢管作为一种新型的复合材料管，具有轻质、高强、耐高压、耐腐蚀、造价较低、施工方便、维修养护工作量小等优点，较为适合高水头小水电站中管道压力较大、流量相对较小的特点，很多方面具有压力钢管无法相比的优越性。尽管如此，在高水头小水电中应用夹砂玻璃钢管道的项目仍很少，其原因主要在于业主和设计人员对夹砂玻璃钢管道的优良性能还不十分了解，对选用夹砂玻璃钢管道仍抱迟疑、观望的态度。为此，本文结合所设计的加答河水电站对夹砂玻璃钢管的特点进行了一些探讨，以期推动夹砂玻璃钢管在高水头小电站中得到合理的应用。
参考文献：
（1）岳红军编，玻璃钢夹砂管道，科学出版社，1998年
（2）钟云，玻璃钢管道的应用，玻璃钢/复合材料，第1期，1997年
（3）潘家多，在给排水管道工程中推广应用玻璃纤维增强热固性树脂管，第1期，1998年
