（中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

地下鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假定管道壁厚，在各種荷載工況下分別計(jì)算鋼管的穩(wěn)定、強(qiáng)度和剛度，最終目的是根據(jù)管道的直徑、工作壓力、覆土厚度和地面活荷載等條件確定鋼管壁厚[1]。

1 工程概況

本工程為供水工程，輸水隧洞輸水規(guī)模為2.883m3/s。自水庫引水，輸水隧洞接豎井后一分為二，其中岔洞1 再通過地下埋管、倒虹吸、穿山段、涵管段至大橋下游；另一條岔洞2 也包括隧洞段和埋管段。本次計(jì)算為岔洞1之后的地下埋管。

水庫的正常蓄水位為184m，校核洪水位192.7m。

埋管段起點(diǎn)樁號(hào)FX1+703，終點(diǎn)樁號(hào)FX1+812，平面長109m，最大埋深5.2m，埋管采用單管布置，管底高程160.5m，縱坡0%，管道內(nèi)徑2.0m，管內(nèi)防腐為普通水泥砂漿，上部回填土至原地面高程。

2 管材選擇

管材的選擇，影響著輸水安全、水質(zhì)、水頭損失以及工程的投資。

近年來國內(nèi)在輸水和給水管網(wǎng)中常使用的給水管材有:鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管、PE 管等。

2.1 鋼管

鋼管是一種在各行業(yè)廣泛應(yīng)用的管材，具有悠久的應(yīng)用歷史，豐富的使用經(jīng)驗(yàn)。鋼管環(huán)向強(qiáng)度、彈性模量較高，能適應(yīng)各種地質(zhì)條件，但管道內(nèi)、外壁需做除銹和防腐處理，除銹和防腐層的質(zhì)量好壞對(duì)使用年限有較大影響，

2.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管目前使用較多，具有較高的承壓能力，具有良好的防腐性能，一般內(nèi)防腐采用水泥砂漿襯里，外防腐采用噴鋅和煤瀝青防腐漆；接口為柔性，抗震性能高；但國內(nèi)大口徑（DN＞1600am）生產(chǎn)廠家不多，價(jià)格較高。

2.3 預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管

預(yù)應(yīng)力鋼套筒混凝土管有內(nèi)襯鋼板，抗?jié)B能力強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)能承受較高的內(nèi)壓，其預(yù)應(yīng)力鋼絲可根據(jù)管頂覆土厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，其抗外荷能力也較強(qiáng)，由于管材本身獨(dú)特的復(fù)合結(jié)構(gòu)，不易出現(xiàn)管身漏水、接頭漏水以及爆管現(xiàn)象，耐腐蝕性能較好，一般環(huán)境條件不需作內(nèi)外壁防腐處理，壽命長。但是重量大，需做管道基礎(chǔ)和修筑較高等級(jí)的施工運(yùn)輸臨時(shí)便道，運(yùn)輸成本較高，吊裝困難。工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用低。

本工程為有壓輸水，輸水管道應(yīng)選擇施工難度小、運(yùn)行安全性好、可靠度高、投資省、管理維護(hù)方便的管材。從使用安全性、使用壽命、施工質(zhì)量、工程造價(jià)和日常維護(hù)等多方面綜合分析，鋼管整體性最好，適用于各種地質(zhì)條件，本次選擇鋼管。

管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容為計(jì)算管道的壁厚，并驗(yàn)證管道在內(nèi)、外荷載作用下管道的穩(wěn)定性，如果不穩(wěn)定，采取相應(yīng)的加固措施。

3 管道壁厚計(jì)算

根據(jù)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，當(dāng)DN≥1400mm，設(shè)計(jì)內(nèi)壓不大于1.0MPa，覆土厚度不大于4m 時(shí)，管壁總厚度一般為管內(nèi)徑的1/120～1/140的范圍內(nèi)[1]。

本工程管道直徑2000mm，初步估算壁厚范圍為14.28～16.66mm。鋼管管壁厚度選取14mm 進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

4 荷載計(jì)算及組合

作用在鋼管上的荷載包括永久荷載和可變荷載。永久荷載包括管道自重、豎向土壓力和管內(nèi)水重。可變荷載包括設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、地面堆積荷載、地面車輛荷載、地下水浮托力、管道運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的真空壓力和溫度荷載。根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，溫度荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按±25℃，忽略地基不均勻沉降的影響。

FX1+703～FX1+812 段鋼管管頂?shù)淖畲舐裆顬?5.2m。鋼管管徑D=2000mm，初步擬定管壁的設(shè)計(jì)厚度t=14mm，使用期間鋼管的計(jì)算壁厚：t0=t-2=12mm；因此，鋼管外壁直徑D1=2028mm，管道計(jì)算直徑D0=2014mm，外壁半徑r1= 1014mm，計(jì)算半徑r0=1007mm，管頂至設(shè)計(jì)地面的覆土高度為5.2m。地下水考慮與地表面齊平，埋深0.0m。鋼材重度：78.5×10-6N/mm3，水的重度：10×10-6N/mm3，回填土的重度：18×10-6N/mm3，回填土的有效重度：10×10-6N/mm3，鋼材及焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 N/mm2，鋼材彈性模量：Es=2.06×105N/mm2；鋼材的泊松比：μ=0.30；線膨脹系數(shù)：αs=1.2×10-5/°C ，回填土的變形模量4 N/mm2，回填土的泊松比0.40；回填土的內(nèi)摩擦角取30°?；蹆蓚?cè)原狀土變形模量4 N/mm2。

4.1 荷載計(jì)算

1、豎向土壓力

對(duì)于埋地柔性管管道，管頂豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值即管上土柱體重量。

2、設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力

根據(jù)《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 141:2002），給水工程鋼管管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值：

式中：Fwd，k——鋼管設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，取值≥0.9 N/mm2；

Fwk——鋼管管道的工作壓力標(biāo)準(zhǔn)值。

本工程輸水系統(tǒng)水頭為22.50m，工作壓力為0.225 N/mm2，因此設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值取值0.9 N/mm2。

3、地面車輛荷載

地面車輛荷載計(jì)算時(shí)，假定1輛車駕駛，車輛單個(gè)輪壓標(biāo)準(zhǔn)值為70KN，車輪總數(shù)n為4，單個(gè)車輪著地分布長度a為0.6m，單個(gè)車輪著地分布長度b為0.2m，地面相鄰兩個(gè)輪壓平均凈間距d1為1.8m。

計(jì)算得出車輛產(chǎn)生的管頂壓力標(biāo)準(zhǔn)值=3.26KN/m2。

4、地面堆積荷載

地面堆積荷載標(biāo)準(zhǔn)值Fvk取值10 KN/m2，準(zhǔn)永久值系數(shù)φq=0.5。

5、浮托力

浮托力計(jì)算時(shí)按最高地下水位，即地下水埋深為 0.計(jì)算結(jié)果為32.30KN/m2。

荷載計(jì)算結(jié)果如下表4.1-1所示：

表4.1-1 荷載標(biāo)準(zhǔn)值及分項(xiàng)系數(shù)

4.2 荷載組合及計(jì)算工況

本次按照承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定驗(yàn)算，正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行剛度驗(yàn)算，以復(fù)核該段埋管管壁的厚度。

表4.2-1 按承載力能力極限狀態(tài)計(jì)算的作用組合

正常運(yùn)行基本荷載組合：正常運(yùn)行基本荷載組合：豎向土壓力+管內(nèi)水重+管自重+設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力+地面車輛荷載+真空壓力

5 管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)初選的壁厚，驗(yàn)算不同荷載組合作用下鋼管的強(qiáng)度、截面穩(wěn)定性、抗浮和剛度是否滿足要求。計(jì)算結(jié)果如下表5-1所示：

表5-1 強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度驗(yàn)算結(jié)果

6 管道加固

鋼管壁厚14mm 時(shí)，豎向變形超過限值。通過計(jì)算可知，當(dāng)管頂覆土為5.2m 時(shí)，滿足剛度要求的壁厚是25mm。

環(huán)向變形的理論基礎(chǔ)是管土相互作用，環(huán)變形等于外荷載與管剛度和土壤剛度之和，因此當(dāng)環(huán)變形結(jié)果超標(biāo)后，正確的處理方法是更換埋置材料，而不是增加壁厚。管側(cè)埋置土對(duì)減少柔性管道環(huán)向變形起到?jīng)Q定性作用[5]。本工程輸水管線路布置在農(nóng)田、魚塘段，受農(nóng)作活動(dòng)影響，管道埋置土采用原土回填。為了增加管道周圍埋置土的彈性模量，采用鋼管外包混凝土，厚度60cm，以承擔(dān)外部荷載作用。

該外包混凝土結(jié)構(gòu)與土質(zhì)隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)相同，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)采用軟件《水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)》MSDI-SDCAD（2013）。經(jīng)配筋計(jì)算和抗裂驗(yàn)算均不開裂，外包混凝土內(nèi)外側(cè)按最小配筋率配置構(gòu)造鋼筋即可。管道的斷面設(shè)計(jì)如下圖所示：

圖6 埋地鋼管橫斷面圖

7 結(jié)論

埋地輸水鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算鋼管壁厚，并驗(yàn)證在承載內(nèi)外壓情況下的強(qiáng)度、截面穩(wěn)定性、抗浮和剛度是否滿足要求，在不滿足限值要求的情況下，可以選擇增加管道壁厚，但根據(jù)管土相互作用的理論基礎(chǔ)，更換管側(cè)埋置土是正確的處理方法。本工程輸水管線路布置在農(nóng)田、魚塘段，受農(nóng)作活動(dòng)影響，采用原土回填，因此在鋼管壁厚剛度驗(yàn)算不滿足要求的情況下，采取在鋼管外包混凝土，厚度60cm，按最小配筋率配置構(gòu)造鋼筋以承擔(dān)外部荷載。