蒙世仟，朱新民，崔 煒，樓胤志

（1.廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530023；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

廣西桂西北治旱百色水庫(kù)灌區(qū)工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，開(kāi)發(fā)任務(wù)為灌溉為主、兼顧城鄉(xiāng)生活生產(chǎn)供水，是我國(guó)在丘陵地區(qū)建設(shè)的大型現(xiàn)代化節(jié)水灌區(qū)。工程灌溉面積59.2萬(wàn)畝，主要建設(shè)內(nèi)容包括5條總長(zhǎng)137.74 km的干管和76條總長(zhǎng)201.03 km的支管。灌區(qū)骨干工程分為2個(gè)部分，即百色水庫(kù)引水部分和右江提水部分。百色水庫(kù)引水灌溉39.2萬(wàn)畝，引水流量6.6 m3/s，泵站提水灌溉面積20.0萬(wàn)畝，提水流量4.56 m3/s，揚(yáng)程80～90 m。干管最大內(nèi)徑2.8 m，內(nèi)水壓力等級(jí)1.6 MPa。骨干工程可概括為：一座取水口、兩座河道提水泵站、五條干管、五條隧洞、五座調(diào)壓井、七座一級(jí)提水泵站、76個(gè)分水口、141個(gè)高位水池。水工建筑物數(shù)量多，輸水管道系統(tǒng)長(zhǎng)度大，運(yùn)行壓力高，水力過(guò)渡過(guò)程復(fù)雜。

輸水干線管道工程區(qū)大部位于右江河谷盆地，盆地內(nèi)地貌主要為右江河谷階地，局部由于構(gòu)造隆起為剝蝕堆積丘陵。盆地外圍被剝蝕堆積丘陵、侵蝕剝蝕低山地貌所包圍。工程區(qū)內(nèi)多為沉積巖，出露地層有石炭系、二疊系、三疊系、下第三系及第四系地層，侵入巖主要為印支期深灰綠色輝綠巖。灌區(qū)內(nèi)特殊性巖土主要為下第三系膨脹土，不良地質(zhì)現(xiàn)象為采空區(qū)、崩塌等。區(qū)域性斷裂為右江斷裂，從工程區(qū)北部穿過(guò)。右江斷裂是一條活動(dòng)的走向滑移斷裂，位移速率建議值為：水平位移速率為每年1.98 mm，垂直位移速率為每年0.2 mm［1］。

灌區(qū)地下水劃分為第四系孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水，沿線地下水對(duì)混凝土一般具有弱～中等腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕程度為弱～中等腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性程度為弱～中等腐蝕性。

本工程管道總長(zhǎng)度大，累計(jì)超過(guò)300 km，沿線跨越活動(dòng)斷裂帶，地下水具有腐蝕性。因?yàn)槊總€(gè)管道設(shè)計(jì)斷面可能影響數(shù)公里甚至數(shù)十公里長(zhǎng)度的管線，管道設(shè)計(jì)需謹(jǐn)慎對(duì)待，如果考慮不周，會(huì)給工程運(yùn)行安全留下隱患。為了充分保障管道運(yùn)行安全，本文針對(duì)工程條件進(jìn)行了管道選型分析，給出了分段選型建議；研究了PCCP各組分的應(yīng)力狀況，評(píng)估了結(jié)構(gòu)承載能力，提出了改進(jìn)砂漿層和防腐的建議；對(duì)管道穿越斷裂帶和不均勻沉降區(qū)的應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了探討。

2 管道選型分析

大量運(yùn)用于輸水工程的管材有：混凝土管類，包括預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管（PCP）和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）；玻璃鋼管類，包括定長(zhǎng)玻璃鋼夾砂管（FRPM）、離心澆鑄玻璃鋼管和連續(xù)纏繞玻璃鋼管（CWFP）；鑄鐵管類，包括灰口鑄鐵管（GIP）和球墨鑄鐵管（DIP）；鋼管類（SP），包括直縫焊接鋼管和螺旋焊接鋼管；塑料管類，包括硬質(zhì)聚氯乙烯（UPVC）管、聚乙烯（PE）管等。目前，國(guó)內(nèi)外在長(zhǎng)距離、大流量的大型輸水工程中，常用大口徑管道（DN1200 mm以上）管材主要有PCCP、PCP、FRPM、CWFP、DIP和 SP［2-4］。

從過(guò)流能力來(lái)講，CWFP、FRPM的內(nèi)壁糙率系數(shù)最小，約為0.009。PCCP、PCP及內(nèi)部涂刷防腐涂層的SP和DIP，內(nèi)壁糙率系數(shù)較大，范圍為0.011～0.014。

SP的壽命主要取決于其防腐標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量，在弱～中等腐蝕性水土環(huán)境下，通常采用環(huán)氧煤瀝青涂層并預(yù)留蝕余厚度的防腐方式，壽命勉強(qiáng)能夠到30年。DIP的壽命也與防腐處理有關(guān)，普遍能夠達(dá)到30年。CWFP和FRPM耐腐蝕，但存在老化問(wèn)題，埋地管道壽命能夠達(dá)到50年，但是，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，這種管道制作質(zhì)量容易失控，需加強(qiáng)監(jiān)造。從現(xiàn)有國(guó)外實(shí)例來(lái)看，PCCP壽命能夠保證50年。

管道的價(jià)格差異較大，除了管材本體費(fèi)用之外，還要考慮施工、防腐、監(jiān)測(cè)等費(fèi)用。SP的防腐涂層、陰極保護(hù)、防腐監(jiān)測(cè)的費(fèi)用較高，施工期電費(fèi)、降排水費(fèi)用也會(huì)占有一定的比例?；炷令惞艿雷灾卮?，在丘陵地區(qū)要充分考慮其運(yùn)輸費(fèi)用和軟弱地基的處理費(fèi)用，在坡度大的地段安裝，結(jié)構(gòu)要作特殊處理，運(yùn)輸費(fèi)和吊裝費(fèi)較大。CWFP、FRPM的回填材料需要制備，這部分費(fèi)用較高。根據(jù)國(guó)內(nèi)應(yīng)用SP、DIP、CWFP和PCCP等4種常用管材，單位長(zhǎng)度的工程造價(jià)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1［2］。綜合比較顯示，口徑為DN1600 mm時(shí)，SP、DIP、CWFP的綜合造價(jià)大致相近。PCCP價(jià)格最低，口徑越大價(jià)格優(yōu)勢(shì)越大，費(fèi)用可降30%～40%。

圖1 不同管材單位長(zhǎng)度埋管的工程造價(jià)變化趨勢(shì)

在長(zhǎng)距離輸水工程中，管材所占引水項(xiàng)目投資額主要部分（50%～70%），因此，合理選擇管道材質(zhì)尤為重要。上述六種管材的性能綜合比較見(jiàn)表1。根據(jù)百色水庫(kù)灌區(qū)工程的建設(shè)和運(yùn)行條件，對(duì)所述管材綜合性能比較項(xiàng)目按照“最好、好、較好、較差、差、最差”進(jìn)行6個(gè)等級(jí)的評(píng)分，對(duì)應(yīng)分值分別為5-0分，以DN2400 mm管道為例，對(duì)表1的管材綜合性能進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分結(jié)果顯示，PCCP和CWFP管的分值最高。因此，推薦百色灌區(qū)工程常規(guī)地段，管徑DN2800 mm～DN1800 mm首選PCCP，管徑DN1600 mm～DN100 mm首選DIP，CWFP作為備選；對(duì)特殊地段中的電化學(xué)腐蝕段，首選CWFP，DIP作為備選；當(dāng)管線穿越復(fù)雜地形和障礙建筑物時(shí)，首選螺旋焊接SP，直縫焊接SP作為備選。

表1 管材綜合性能比較表（以DN2400mm為例）

3 PCCP管道復(fù)合結(jié)構(gòu)受力研究

3.1 計(jì)算模型PCCP由持力結(jié)構(gòu)、防滲體、防腐層組成，各組份的力學(xué)狀態(tài)差異明顯，結(jié)構(gòu)受力機(jī)理復(fù)雜，是結(jié)構(gòu)計(jì)算中的難點(diǎn)［5-7］。本工程采用埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，管道組成見(jiàn)圖2。

圖2 埋置式PCCP結(jié)構(gòu)示意圖

本文的研究對(duì)象為管徑最大（2800 mm）、工作壓力最高（1.6 MPa）、覆土厚度最大（4 m）的管段，管道結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見(jiàn)表2。采用非線性有限元力學(xué)仿真方法研究管道結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀況，計(jì)算程序?yàn)锳BAQUS［8］。

表2 PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

材料強(qiáng)度、彈性模量主要參考規(guī)范［9-10］取值，均取標(biāo)準(zhǔn)值。管芯混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，砂漿保護(hù)層強(qiáng)度等級(jí)為MU45，混凝土、砂漿層采用混凝土損傷塑性模型，考慮脆性材料的拉伸和壓縮破壞機(jī)制。鋼筒、鋼絲定義為彈塑性材料，屈服準(zhǔn)則為MISES準(zhǔn)則。鋼絲為雙層，模型按實(shí)際情況分兩層螺旋纏繞，見(jiàn)圖3，據(jù)此所建的整體模型較為復(fù)雜，整體模型見(jiàn)圖4。分析模擬了管道制造、回填、正常工作壓力運(yùn)行、發(fā)生水錘等工況，共分為6個(gè)計(jì)算步：（1）混凝土管芯就位，內(nèi)層鋼絲纏繞并施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力值取0.7倍的抗拉強(qiáng)度；（2）添加覆蓋內(nèi)層鋼絲的砂漿層，外層鋼絲纏繞并施加預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力值與內(nèi)層鋼絲相同；（3）外層砂漿施加；（4）PCCP外側(cè)土回填，施加外部土、水壓力；（5）正常工作壓力運(yùn)行，壓力1.6 MPa；（6）發(fā)生水錘，壓力值取1.4倍的工作壓力。本文模型中鋼絲按實(shí)際尺寸和間距模擬鋼絲螺旋纏繞，計(jì)算步中分層、分次張拉，均是非常精細(xì)的，以往的文獻(xiàn)未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。此項(xiàng)工作的意義在于精細(xì)的模擬比簡(jiǎn)化模擬更貼近實(shí)際。

圖3 兩層鋼絲螺旋纏繞細(xì)部

圖4 整體模型和網(wǎng)格

3.2 變形狀況在制造期，PCCP管芯受鋼絲預(yù)應(yīng)力作用而產(chǎn)生內(nèi)縮，位移量約1 mm。在施工回填時(shí)，管道在豎向被壓扁，管道頂、底相對(duì)位移約1 mm，管側(cè)向外變形約0.4 mm。在正常工作內(nèi)壓作用下，管道向外膨脹變形約0.4～0.6 mm。發(fā)生水錘時(shí)，再向外膨脹變形約0.2 mm。

3.3 持力結(jié)構(gòu)的應(yīng)力鋼絲張拉纏繞期應(yīng)力為1100 MPa，因鋼絲為分兩層張拉纏繞，外層鋼絲張拉纏繞時(shí)，內(nèi)層鋼絲會(huì)略微回縮，預(yù)應(yīng)力損失約50 MPa。PCCP在正常工作內(nèi)壓下，鋼絲拉應(yīng)力升高約50 MPa，發(fā)生水錘時(shí)，拉應(yīng)力進(jìn)一步升高約20 MPa，內(nèi)層鋼絲拉應(yīng)力升高至1112 MPa（見(jiàn)圖5），外層鋼絲升高至1175 MPa。鋼絲應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。鋼絲應(yīng)力全過(guò)程曲線見(jiàn)圖6。

在管道制造期，混凝土管芯以環(huán)向受壓為主，壓應(yīng)力約16～20 MPa，內(nèi)表面壓應(yīng)力大于外表面。管道回填施工對(duì)管芯的應(yīng)力改變較小，壓應(yīng)力值變化約1～2 MPa。在正常工作內(nèi)壓作用下，管芯混凝土的環(huán)向壓應(yīng)力減少約8 MPa。發(fā)生水錘時(shí)，壓應(yīng)力進(jìn)一步減少約3 MPa，管芯內(nèi)側(cè)壓應(yīng)力減小至11 MPa、外側(cè)減小至5 MPa，見(jiàn)圖7。管芯內(nèi)壁應(yīng)力全過(guò)程曲線見(jiàn)圖8。

圖5 水錘工況內(nèi)層鋼絲應(yīng)力（單位：Pa）

圖6 鋼絲應(yīng)力全過(guò)程曲線（單位：Pa）

3.4 防滲結(jié)構(gòu)應(yīng)力在管道制造期，鋼筒隨混凝土管芯內(nèi)縮、沿環(huán)向受壓，壓應(yīng)力值約110 MPa～120 MPa。管道回填施工造成鋼筒的應(yīng)力改變較小，變化值約5 MPa。在正常工作內(nèi)壓作用下，鋼筒壓應(yīng)力減少約50 MPa，發(fā)生水錘時(shí)，壓應(yīng)力進(jìn)一步減少約20 MPa，減少至40 MPa。鋼筒應(yīng)力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，安全裕度較高。

3.5 保護(hù)層力學(xué)狀況覆蓋內(nèi)層鋼絲的砂漿層在制造、管道回填、正常工作工況，均處在環(huán)向受壓狀態(tài)。在管道回填時(shí)，覆蓋外層鋼絲的砂漿側(cè)壁出1～2 MPa的拉應(yīng)力。正常工作內(nèi)壓作用下，砂漿外層拉應(yīng)力值超過(guò)2 MPa；發(fā)生水錘時(shí)，砂漿層全部處在拉應(yīng)力狀態(tài)，最大拉應(yīng)力值約2.5 MPa，見(jiàn)圖9，將導(dǎo)致保護(hù)層砂漿開(kāi)裂。砂漿層開(kāi)裂在PCCP實(shí)際應(yīng)用中是常見(jiàn)現(xiàn)象，這是由PCCP的構(gòu)造特征決定的：砂漿層無(wú)預(yù)壓應(yīng)力，管道充水時(shí)立即處在受拉狀態(tài)。常規(guī)砂漿的抗拉能力遠(yuǎn)小于抗壓能力，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)越高，彈性模量越高，用作PCCP保護(hù)層時(shí)，在內(nèi)水壓力作用下的拉應(yīng)力水平越高，越容易開(kāi)裂。因此，在滿足強(qiáng)度等級(jí)要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用低彈性模量的砂漿層。此外，因管道沿線地下水對(duì)混凝土和鋼材具有腐蝕性，為了防止PCCP鋼絲、鋼筒、砂漿保護(hù)層的腐蝕破壞，PCCP擬采取表面涂層與陰極保護(hù)相配合的防腐措施［11］。PCCP砂漿保護(hù)層外表面防腐涂層擬采用黑色無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青防腐涂料，厚度600 μm，涂層道數(shù)1道。

圖7 水錘工況管芯應(yīng)力矢量（單位：Pa）

圖8 管芯內(nèi)壁應(yīng)力全過(guò)程曲線（單位：Pa）

圖9 水錘工況砂漿層應(yīng)力（單位：Pa）

4 管道穿越斷裂帶和不均勻沉降區(qū)的應(yīng)對(duì)措施

本工程大直徑管道采用PCCP和DIP，均為埋地剛性管道，管節(jié)之間采用承插口連接，抗變形能力弱。對(duì)處于右江斷裂帶區(qū)域的管道，使用年限內(nèi)可能出現(xiàn)10 cm水平錯(cuò)動(dòng)位移，需采取可靠的管道連接措施，避免管道出現(xiàn)滲漏破壞。

大型管道釋放管道錯(cuò)動(dòng)位移常用的接頭方式有承插口接頭、伸縮節(jié)法蘭連接、卡箍接頭［12］?？ü拷宇^形式之一的撓性卡箍接頭在連接管端設(shè)置溝槽，通過(guò)卡箍殼體、密封止水、環(huán)向緊固螺栓、表面油脂涂層等配件和配料實(shí)現(xiàn)連接和封閉，是一種安全可靠、簡(jiǎn)便易行的管配方式。幾種常用接頭的性能對(duì)比見(jiàn)表3，從對(duì)大變形的適應(yīng)能力、方便施工和運(yùn)行期維護(hù)等幾個(gè)方面來(lái)看，卡箍撓性接頭的性能均是優(yōu)越的，其抗偏轉(zhuǎn)能力可確保埋地管道具有良好的抗折變形能力。因此，將卡箍撓性接頭作為管道穿越右江斷裂帶和不均勻沉降區(qū)的抗斷、防漏措施。

理論分析表明，撓性卡箍接頭間距越小，管線適應(yīng)地層變形的能力越強(qiáng)。但是，布設(shè)密集的接頭會(huì)增加工程的造價(jià)。目前，右江斷裂具體地質(zhì)構(gòu)造與管線的交叉部位尚不能明確，有必要根據(jù)未來(lái)管線溝槽開(kāi)挖揭露的地質(zhì)情況確定接頭的布設(shè)位置。根據(jù)右江斷裂水平位移速率，暫定沿該段管線長(zhǎng)度方向間隔500 m布置一對(duì)撓性卡箍接頭，以增加管道間變形協(xié)調(diào)能力，減小特殊地段管道破壞風(fēng)險(xiǎn)。降低后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用?？缬医瓟嗔褞У腄IP采用自錨固約束接口，接口具有可約束的柔性，能夠滿足抗拔脫和偏轉(zhuǎn)要求，不必再做特殊處理，可解決水平錯(cuò)動(dòng)問(wèn)題。

表3 幾種管道接頭的性能對(duì)比

5 結(jié)論

（1）百色水庫(kù)灌區(qū)工程大直徑管道選型，采用綜合性能評(píng)分法進(jìn)行比較后決定，常規(guī)地段管徑DN2800 mm～DN1800 mm首選PCCP，管徑DN1600 mm～DN100 mm首選DIP，CWFP作為備選；對(duì)特殊地段中的電化學(xué)腐蝕段，首選CWFP，DIP作為備選；當(dāng)管線穿越障礙建筑物時(shí)，首選螺旋焊接SP，直縫焊接SP作為備選。

（2）在PCCP制造期、回填、運(yùn)行過(guò)程，管芯混凝土、鋼筒均處在壓應(yīng)力狀態(tài)，預(yù)應(yīng)力鋼絲處在拉應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力均低于材料強(qiáng)度，且有一定安全裕度。鋼絲最大拉應(yīng)力與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之比為0.75，混凝土管芯最大壓應(yīng)力與強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之比為0.87，結(jié)構(gòu)承載力滿足安全要求。

（3）PCCP管道復(fù)合結(jié)構(gòu)受力研究模型，首次按實(shí)際尺寸和間距模擬了鋼絲螺旋纏繞，分層、分次張拉的過(guò)程。（說(shuō)明：按實(shí)際尺寸和間距模擬鋼絲螺旋纏繞，分層、分次張拉計(jì)算，需要十分細(xì)致的建模和分析。這一條在前人公開(kāi)發(fā)表成果中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，本文是首次這樣做的。）成果給出了管材各組份在制作、回填、正常內(nèi)壓、水錘過(guò)程中的應(yīng)力、變形變化規(guī)律。

（4）現(xiàn)有PCCP構(gòu)造方案的保護(hù)層砂漿在水錘工況會(huì)開(kāi)裂。在腐蝕性水土環(huán)境下，砂漿層裂縫容易引發(fā)預(yù)應(yīng)力鋼絲應(yīng)力腐蝕和斷裂。砂漿層開(kāi)裂在PCCP實(shí)際應(yīng)用中是常見(jiàn)現(xiàn)象，這是由PCCP的構(gòu)造特征決定的。為解決此類問(wèn)題，提出在滿足強(qiáng)度等級(jí)要求的前提下，PCCP應(yīng)優(yōu)先采用低彈性模量的砂漿層，增加砂漿的變形適應(yīng)能力，降低其拉應(yīng)力。砂漿保護(hù)層外表面擬采用黑色無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青防腐涂層，與陰極保護(hù)措施相配合，達(dá)到防腐和延長(zhǎng)管道壽命的目的。

（5）本灌區(qū)大口徑管道所穿越的右江地質(zhì)斷裂帶是一條活動(dòng)斷裂，變形逐年累積。為了避免管道錯(cuò)斷，經(jīng)分析提出PCCP沿線間隔布置撓性卡箍接頭，增加管道間變形協(xié)調(diào)能力，減小特殊地段管道破壞風(fēng)險(xiǎn)，降低后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。