李向東

（山西省水利水電勘測設計研究院 山西太原030024）

“十二五”是我國全面建成小康社會的攻堅時期，水利作為新形勢下我國優(yōu)先發(fā)展的重點領域，面臨著前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。隨著政府對水利工程投入力度的不斷加大，越來越多的管線調水、引水工程開始建設，這些工程具有線路長、管徑大、地質條件復雜等特點。尤其是在我省多變的地形條件下，管線縱斷面起伏較多，管道覆土變化頻繁，增加了工程設計、施工難度和工程投資。本文結合山西禹門口提水東擴工程和山西萬家寨引黃北干工程，從設計角度提出了管線局部地段高覆土解決方案。

1 管道土壓力計算理論

根據Marston土力學理論成果，作用于地下管道上的土荷載大小受管頂填土高度和埋設方式等因素影響。回填方式確定了管道正上方土柱相對于周圍土體的位移方向和大小。按管道回填方式和土壓力不同，管道主要分為上埋式、溝埋式及減壓溝槽。

上埋式是先在原狀地面上構筑管道，然后覆土夯實，常用于渠道、堤防及公路下方的管道；溝埋式是在埋管前先挖溝槽，然后布管、回填土料并分層夯實，多用于原狀土質較好的地帶，視各種條件可開挖成直壁的矩形槽或放坡的梯形槽等；減壓溝槽是在溝埋式的基礎上，在管頂正上方虛填或者回填壓縮量較大的土體，利用管道正上方土柱與相對鄰近土體的位移產生的摩擦力或剪力抵消一部分的土重，以實現減壓的目的。在工程應用中，溝埋式較為常見，減壓溝槽形式有利工程安全，本文進行重點介紹。

1.1 溝埋式

溝埋式是在被動土和未擾動土體中的較狹窄溝槽內鋪設管道，并回填土至原地面。由于管道上方的回填土將向下沉降，產生滑動面，假設這個滑動面即為回填土與原狀土的分界面。這個滑動面上存在著因相對滑動產生的摩擦力，其方向與相對滑動方向想反。因此，管道上部的豎向土壓力荷載，應為回填土重力減因相對滑動產生的摩擦力。其土壓力計算公式可采用美國供水協會M9手冊計算，見下式及圖1。

圖1 溝埋式管道橫斷面圖

式中：Wd——溝槽回填荷載，kN/m；

Cd——溝槽荷載系數；

w——回填材料容重，kN/m3；

Bd——管道頂部溝槽寬度，m。

H——管頂以上填土厚度，m；

K——郎肯主動土壓力系數

由計算公式知，管道承受的豎向土壓力與管頂處的溝槽寬度成正比。隨著溝槽寬度的增大，管道承受的豎向土壓力逐漸與上埋式相同。因此，針對埋深較大的管道，應控制開挖溝槽寬度為滿足施工和安全要求的最小值。

1.2 減壓溝槽

根據溝埋式管道的受力分析，采用在管頂回填高壓縮性土體，利用因管頂土體相對向下滑動的使周圍土體對其產生的向上的剪力或摩擦力，抵消一部分土體自重，形成減壓溝槽，實現降低管道豎向土壓力的目的。其土壓力計算公式可采用美國供水協會M9手冊計算，見下式。

式中：Wi——減壓溝槽回填荷載，kN/m；

Ci——溝槽荷載系數；

w——回填材料容重，kN/m3；

Bc——管道頂部溝槽寬度，m；

H——管頂以上填土厚度，m；

He——管頂以上等沉降面高度，m；

K——郎肯主動土壓力系數。

由減壓溝槽鋪設的管道，管頂土壓力小于正常施工的管道。設計時，可在埋深較大地段設置，以保證工程安全和降低工程投資。

2 減壓溝槽的施工方法

我國管道管線工程，大部分采用梯形斷面，與上文中的溝埋式和減壓溝槽管橫斷面不同。為便于工程施工，保證施工安全，提高施工的連續(xù)性，減壓溝槽管段可采用與上下游管道相同的梯形開挖斷面，回填過程中保證壓實度。完成回填后，重新豎直挖除管頂正上方的土體，并以松散的可壓縮的材料松散的放入溝槽，如植物秸稈、鋸末、EPS材料等。橫斷面見圖2、圖3。

圖2 減壓溝槽管道橫斷面圖一

圖3 減壓溝槽管道橫斷面圖二

3 減壓溝槽有限元分析

采用MidasgTS有限元分析軟件，對減壓溝槽的管道土壓力進行受力分析。計算實例采用我省完建的輸水工程，管徑2m，溝槽開挖寬度3.5m，管道埋深15m，開挖邊坡1:0.5。土體參數取值見表1。

表1 材料計算參數

采用以上信息，分別建立減壓溝槽模型和溝埋式管道模型，相關參數見表2。

表2 材料計算參數

采用以上參數，分別建立減壓溝槽和溝埋式的有摩爾庫倫本構模型[1]，進行非線性分析，各部分土體和管道的應力應變情況見圖 4、圖 5、圖 6、圖 7。

圖4 減壓溝槽管道單元坐標系Y方向彎矩

圖5 溝埋式管道單元坐標系Y方向彎矩

圖6 減壓溝槽管道整體坐標系Y方向塑性應變

圖7 溝埋式管道整體坐標系Y方向塑性應變

兩種不同回填情況下，管道應力結果見表3。

表3 管道應力有限元分析結果 單位：kN/m2

由以上分析結果，可知管道在減壓溝槽條件下應力應變均小于溝埋式，尤其是管頂和管底的應力減小較大，對高覆土管道的受力條件有了好的改善。

4 結語

通過采取減壓溝槽措施，可以有效地改善管道受力條件，提高管道安全性能。在工程中，對于局部距離較短高差較大的土梁等地形條件，或因測量誤差造成管道實際覆土大于設計覆土的情況下，可以采用減壓溝槽的施工方法，代替高覆土管道，從而降低工程投資、縮短工期，可以在工程實踐中進行推廣。

[1]吳坤占.PCCP管道結構有限元分析研究[D].西安:西安理工大學，2008；45-48