胡 陳

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

PCCP管道工程在打壓試驗(yàn)過(guò)程中，管端打壓管封堵板處存在水推力，因打壓管接口為柔性承插式接口，一般不足以抵御該水推力，故工程在打壓試驗(yàn)時(shí)均需在打壓管后側(cè)設(shè)置止推裝置，以平衡該水推力。如實(shí)驗(yàn)管道口徑較小，壓力較低，則水推力較小，則設(shè)置止推裝置較為容易；但本工程管道口徑大(DN3200以上)，實(shí)驗(yàn)壓力高(1.6MPa左右)，其堵板處的水推力將達(dá)到1450t以上。在如此巨大水推力下管道必須設(shè)置安全可靠的止推裝置。

在一般工程施工中，安裝完成一段管道以后，在進(jìn)行打壓試驗(yàn)之前，必然在管段端留出一段原狀土作為打壓試驗(yàn)的后背止推。如果被打壓管道管徑較大，需充水較多，則打壓試驗(yàn)耗時(shí)將較長(zhǎng)，因工程工期所限，一般都需跳開(kāi)后背土段繼續(xù)進(jìn)行非打壓段管道施工，等打壓試驗(yàn)結(jié)束后再對(duì)后背土段管道進(jìn)行合攏施工，既增加了工作面，也增加了工程施工費(fèi)用。

為克服以原狀土為后背止推的種種不利，本文提出，將打壓管設(shè)置在已安裝管道的中間，打壓管一側(cè)打壓時(shí)，打壓管受水推力作用，將頂靠在非打壓的另一側(cè)管道上，這樣就能利用另一側(cè)管道與土壤間摩擦力來(lái)平衡打壓水推力，可以很好地解決管道打壓止推問(wèn)題，不再需要專(zhuān)門(mén)設(shè)置止推裝置，更不影響后續(xù)管道施工，是一種節(jié)省工程費(fèi)用及工期的好辦法。

1 計(jì)算原理

以受土壤摩擦力范圍內(nèi)的后背支撐管道為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析。管道是彈性體，本身存在著一定的可壓縮性，作為后背支撐的PCCP管道在堵板推力作用下必然在軸線(xiàn)上產(chǎn)生壓縮變形，因后背支撐管被壓縮變形，打壓管與后背支撐管一起移動(dòng)，這樣，打壓管與被打壓管道部分承插口端面必然分離。PCCP管道結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定：承插口端面最大間隙為25mm，如果打壓過(guò)程中，后背支撐管道壓縮變形量太大，會(huì)導(dǎo)致承插口端面間隙過(guò)大，從而不符合規(guī)范要求，甚至影響工程的安全運(yùn)行。因此，如果利用后背管道支撐進(jìn)行打壓試驗(yàn)，有必要對(duì)后背管道的壓縮變形量進(jìn)行理論計(jì)算，確保水壓試驗(yàn)的安全性。

基于以上原因，對(duì)打壓后背支撐管進(jìn)行受力分析。以打壓管與支撐管向交處為原點(diǎn)，承壓管道方向?yàn)檎较颍⒆鴺?biāo)系，對(duì)摩擦力作用長(zhǎng)度范圍內(nèi)后背支撐管道進(jìn)行受力分析，其具體受力示意如圖1所示。

圖1 受力示意圖

由圖1可知，后背支撐管道受到打壓管道的水推力F及土壤摩擦力f的共同作用，兩個(gè)力方向相反，其合力形成對(duì)管壁的的壓力，大小為f1：

f1=F-f×X

(1)

式中，F(xiàn)—軸向水推力；f—后背管單位長(zhǎng)度所受摩擦力。

由式(1)可知，該壓力接近打壓管處為最大，為F，遠(yuǎn)離打壓管時(shí)，在摩擦力的作用下逐漸減小，直至為0。

在此基礎(chǔ)上，取長(zhǎng)度為dx的后背支撐管道微元進(jìn)行分析，在壓力f1的作用下，管道微元被壓縮變形，根據(jù)材料力學(xué)定理，其長(zhǎng)度變化量大小為dl：

(2)

式中，E—后背支撐管道彈性模量；A—后背支撐管道截面積。

將式(1)代入式(2)，得：

(3)

對(duì)微元被壓縮量dl進(jìn)行積分，則可得摩擦力作用范圍內(nèi)后背支撐管道總變形量△L:

(4)

當(dāng)后背管道完全靜止時(shí)，其所受的合力必然為0，即作用在后背管道上的水推力與土壤摩擦力大小相等，方向相反，有：

F=f×L

變形即為：

(5)

將式(5)代入式(2)，得后背支撐管道的壓縮變形量L為：

(6)

2 計(jì)算實(shí)例

以某工程為例，打壓試驗(yàn)處PCCP管道公稱(chēng)直徑D=3.4m，管道平均壁厚δ=300mm，管頂平均覆土H=1.5m，試驗(yàn)壓力P=1.37MPa，地下水位埋深h=0.5m?；炷翉椥阅Ａ縀=34500MPa。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算打壓試驗(yàn)時(shí)封堵板軸向水推力F:

=1.24×104(kN)

單位長(zhǎng)度管道受土壤的摩擦力f：

f=k×(WP+Ww+2We-Wf)

式中，k—摩擦系數(shù)，取0.25；WP—單位長(zhǎng)度管重，82.10kN；Ww—單位長(zhǎng)度管道內(nèi)水重，因止推管后側(cè)為空，取值為0；We—單位長(zhǎng)度土重，111.83kN；Wf—單位長(zhǎng)度管道及土壤浮力，162.52kN。

將以上取值代入，則單位長(zhǎng)度管道所受的摩擦力f為：

f=0.25×(82.10+0+2×111.83-162.52)

=35.81(kN)

即在本工程給定的工程條件下，單位長(zhǎng)度管道與土壤產(chǎn)生的摩擦力為35.81kN。

通過(guò)對(duì)管道的受力分析可知，打壓試驗(yàn)水推力完全由該摩擦力平衡，根據(jù)式(5)的變形，摩擦力作用的管道長(zhǎng)度L:

即在理論上，本工程打壓試驗(yàn)過(guò)程中，打壓管后側(cè)需要有L=346m長(zhǎng)的平直管道，其與土壤的摩擦力才能平衡打壓管的水推力，以滿(mǎn)足打壓試驗(yàn)的要求。

再根據(jù)式(6)，管道在摩擦力作用范圍內(nèi)，打壓后背管壓縮變形量ΔL為：

=17.8(mm)

即本處打壓試驗(yàn)過(guò)程中，打壓管與被打壓管道承插口端面間隙理論計(jì)算值L=17.8mm，小于規(guī)范規(guī)定極限值，滿(mǎn)足安全要求，可以進(jìn)行打壓試驗(yàn)。

在實(shí)際打壓過(guò)程中，經(jīng)實(shí)地測(cè)量，打壓管與后背管承插口端面間隙約為20mm，與理論計(jì)算值存在一定差距，這是因?yàn)槔碚撚?jì)算的各項(xiàng)參很難與實(shí)際情況完全一致，如地下水位，覆土厚度等，這就要求在打壓試驗(yàn)時(shí)，后背支撐管長(zhǎng)度與理論計(jì)算長(zhǎng)度相比應(yīng)留有足夠裕量，以防止管道發(fā)生滑移。

3 運(yùn)用情況分析與注意點(diǎn)

在打壓試驗(yàn)結(jié)束后，由于軸向水推力的消失，原先后背支撐管道受壓彈性形變部分必然有回彈，打壓管與被打壓管道接觸處承插口端面間隙會(huì)有所減小，故打壓試驗(yàn)時(shí)，即使承插口端面間隙接近或等于極限值，也是可行的。但管道反向回彈時(shí)，與回填土之間存在摩擦力f′，此摩擦力會(huì)阻礙支撐管道的回彈，即打壓管與被打壓管道承插口間隙并不能恢復(fù)到打壓試驗(yàn)之前一樣。因此，如果打壓試驗(yàn)不能一次性成功完成，于相同位置再進(jìn)行打壓試驗(yàn)時(shí)，打壓管與被打壓管道承插口端面距離會(huì)大于第一次試驗(yàn)時(shí)，如此則極有可能超過(guò)極限值，因此以管道為后背支撐進(jìn)行打壓試驗(yàn)，應(yīng)周密部署，嚴(yán)格計(jì)算，確保一次成功。

在本文的計(jì)算分析過(guò)程中，均考慮打壓后背管為平直管道，如果后背管道有折彎角度，采用該方法打壓試驗(yàn)時(shí)，容易在管道折彎處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而對(duì)管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。另外，如果被打壓管道處的地下水位過(guò)高，則土壤與管道間的摩擦力會(huì)大大降低，后背支撐管的長(zhǎng)度會(huì)大大增加，這樣理論計(jì)算值與實(shí)際情況可能產(chǎn)生較大誤差，且因后背管長(zhǎng)度增加，管道不穩(wěn)定因素也將增加。因此采用管道作為打壓后背時(shí)，應(yīng)盡量避免上述情況。

目前，有限元計(jì)算等軟件已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用，如果在打壓試驗(yàn)之前，先運(yùn)用軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，并以理論計(jì)算驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果，則不僅能驗(yàn)證以管道為后背支撐安全與否，還能計(jì)算支撐管道內(nèi)部的受壓情況，如此更有利于管道日后的安全運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

從工程實(shí)際運(yùn)用的的情況來(lái)看，以安裝完成的彎道為打壓試驗(yàn)的后背支撐方法能大量減少管道安裝工作面的個(gè)數(shù)，保證了管道安裝的連續(xù)性，減少合攏管的使用數(shù)量及合攏施工，節(jié)省了工程施工中大量的轉(zhuǎn)場(chǎng)及合攏費(fèi)用。事實(shí)證明，在合適的工程條件下，運(yùn)用該方法進(jìn)行打壓試驗(yàn)，不但能節(jié)省工程費(fèi)用及工期，同時(shí)也是安全可靠的。