袁勇福

（晉城市水利勘測設(shè)計院 山西晉城048026）

1 晉城市任莊水庫調(diào)水工程概況

任莊水庫位于晉城市澤州縣高都鎮(zhèn)丹河干流上，是丹河流域一座以防洪為主的中型水庫，控制流域面積1298.6km2，總庫容8050萬m3，保護下游山西、河南兩省居民及耕地的安全。水庫運行四十余年以來，對下游防洪起到了不可估量的作用，但其他效益卻非常有限。國家先后投資上千萬元對它進行除險加固，達到50年設(shè)計、1000年校核部頒標(biāo)準(zhǔn)。如何使任莊水庫寶貴的水資源充分發(fā)揮作用是各級主管部門一直考慮的問題。

晉城市是國家級發(fā)展的新型園林城市，目前由于采煤影響造成市區(qū)河道水源逐漸干枯、水環(huán)境日趨惡化，同時，部分農(nóng)田和植被干旱缺水。為改善地下水資源狀況及城市河道環(huán)境、使市區(qū)的河流水質(zhì)得到改善，美化生活景觀，改善生活環(huán)境，使河流真正成為“有源的活水”，實現(xiàn)人與自然的和諧。同時灌溉部分農(nóng)田和生態(tài)林，緩解當(dāng)?shù)毓┬杷?，提高任莊水庫利用率，晉城市決定興建任莊水庫調(diào)水工程。

晉城市任莊水庫調(diào)水工程是晉城市2010年重點工程建設(shè)項目。本工程自晉城市澤州縣任莊水庫提水后，采用管道輸水。工程主要建設(shè)內(nèi)容為輸水工程干管18.27km，支管5.4km，提水泵站3座，調(diào)蓄水池5處。工程年供水量500萬m3。

調(diào)水管線多處穿越交通道路，其中采用頂管方案的有三處：一處為主管線穿越晉長二級路，頂管采用直徑800 mm鋼管，長48m；一處為支管線穿越白馬寺旅游公路，頂管采用直徑1000 mm鋼管，長36m；另一處為支管線穿越陵沁一級公路，頂管采用直徑1200 mm鋼管，長84m。

圖1 頂管平面布置圖

2 頂管施工范圍

任莊水庫調(diào)水工程支管線穿越陵川至沁水一級公路，頂管位置在陵沁路與蘭花路交接處，公路兩側(cè)作業(yè)寬度分別為19m和23m，穿越公路段長42m，全長84m。管道平均埋深6m，采用直徑1200 mm鋼管。頂管工程位置見圖1。

3 頂管受力分析

3.1 管道強度計算

頂管管材為：QB235，內(nèi)徑1200 mm，壁厚14mm。計算荷載：公路-Ⅰ級。頂管前管內(nèi)、外壁進行防腐處理，涂刷磷化底漆，二道環(huán)氧瀝青面漆。在此根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》CECS246:2008中相關(guān)要求計算。

《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》8.2.1規(guī)定：鋼管管壁截面的最大組合折算應(yīng)力應(yīng)滿足下式要求：

式中：σθ——鋼管管壁橫截面最大環(huán)向應(yīng)力，N/mm2；

σΧ——鋼管管壁的縱向應(yīng)力，N/mm2；

σ——鋼管管壁的最大組合折算應(yīng)力，N/mm2；

η——應(yīng)力折減系數(shù)，可取0.9；

γ0——管道的重要性系數(shù)，給水工程單線輸水管取1.1；

f——管材的強度設(shè)計值，215N/mm2。

8.2.2 規(guī)定：鋼管管壁橫截面的最大環(huán)向應(yīng)力σθ應(yīng)按下式確定：

式中：Y1=γ1·k1·G1W1=γ2·k2·Fs·D1

Y2= γ3·k3·G2W2= γQφck2Q1D1

b0—管壁計算寬度，mm,取1000 mm；

φ—彎矩折減系數(shù)，有內(nèi)水壓時取0.7；

φc—可變作用組合系數(shù)，可取0.9；

t0—管壁計算厚度，mm，使用期間計算時設(shè)計厚度應(yīng)扣除2mm，施工期間及試水期間可不扣除，取12mm；

r0—管的計算半徑，mm，取607mm；

M—在荷載組合作用下鋼管管壁截面上的最大環(huán)向彎矩設(shè)計值，N·mm；

N—在荷載組合作用下鋼管管壁截面上的最大環(huán)向軸力設(shè)計值，N；

γ1—管道結(jié)構(gòu)自重作用分項系數(shù)，可取1.2；

γ2—豎向水壓力作用分項系數(shù)，可取1.27；

γ3—管內(nèi)水重作用分項系數(shù)，可取1.2。

γQ—可變作用分項系數(shù)，可取1.4；

G1—管道結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值；

Fs—豎向水土壓力標(biāo)準(zhǔn)值；

G2—管內(nèi)水重標(biāo)準(zhǔn)值；

FW—管內(nèi)設(shè)計內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值；

Ed— 鋼管管側(cè)原狀土的變形量，N/mm2，取2.1×107；

Ep— 鋼管管材彈性模量，N/mm2，取2.06×105；

k1、k2、k3—分別為鋼管管道結(jié)構(gòu)自重、豎向土壓力和管內(nèi)水重作用下管壁截面的最大彎矩系數(shù)，可取土的支撐角為120°，按本規(guī)程附錄A確定，分別取0.083、0.138、0.083；

D1— 管外壁直徑，mm，取1228mm；

Q1—地面堆載或車載傳遞至管道頂壓力的最大標(biāo)準(zhǔn)值，取10.38kPa。

計算結(jié)果為：N=0.9×1.4×0.9×607×1000=688338；

Y1=1.2×0.083×4.165=0.414

W1=1.27×0.138×138.96×1228=29906.87

Y2=1.2×0.083×10=0.996

W2=1.4×0.9×0.138×10.38×1228=2216.39

8.2.3 規(guī)定：鋼管管壁的縱向應(yīng)力可按下式核算：

式中：νP—鋼管管材泊松比，可取0.3；

α—鋼管管材線膨脹系數(shù)，查《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017表3.4.3，α=12×10-6；

△T—鋼管的計算溫差，取20℃；

D0—管壁中心直徑，mm，取1214mm；

R1—鋼管頂進施工變形形成的曲率半徑，mm；

f1—管道頂進允許偏差，mm，取130；

L1—出現(xiàn)偏差的最小間距，mm，視管道直徑和土質(zhì)決定，一般可取50 m；

所以有：0.9σθ=0.9×57.42=51.68≤f=215

0.9σx=0.9×131.53=118.38≤f=215

1.1σ =1.1×102.79=113.07≤f=215

綜上所述，管道強度滿足安全要求。

4 結(jié)論

晉城市任莊水庫調(diào)水工程作為民生水利工程，為晉城市這座新型園林城市和國際花園城市起到重要作用；而陵沁一級公路作為晉城市的一條主要交通要道，它的安全性是不可忽視的。因此管道在穿越交通道路時，能否為工程以后帶來安全隱患顯得尤為重要，管道經(jīng)受力分析計算，強度完全滿足設(shè)計要求。

晉城市通過任莊水庫調(diào)水工程，把城外地表水補充到市區(qū)河道，換來較好的城市環(huán)境，經(jīng)濟和社會效益顯著，是一項利民工程、德政工程，將受到全市人民的歡迎。晉城這座古老而又年輕的城市也必將煥發(fā)出更加璀璨奪目的光彩。