徐大彬，藍妹元，王 煌，馮 章，李子晗

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司水環(huán)境與城建工程分公司 河湖治理一室，成都610000；2.深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司南寧分公司 水環(huán)境工程所，南寧530000；3.深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司 水務工程院，廣東 深圳518000）

1 工程概況

龍茜供水工程和北線引水工程是深圳西北部的供水生命線［1-2］。 龍茜供水工程東起龍口泵站，西至茜坑水庫， 工程設計輸水規(guī)模33萬m3/d， 線路全長19.46km；北線引水工程為龍茜供水工程的二期工程，于2006年5月開工建設，2010年5月正式建成通水，該工程從上埔泵站取東深原水經茜坑、 鵝頸水庫輸至石巖水庫，全長約29.92km，設計輸水規(guī)模120萬m3/d。北線引水工程建成后，與東深供水工程、東部供水水源工程形成雙水源保障的供水格局， 在提高深圳市供水保障能力、 解決片區(qū)用水緊張問題中發(fā)揮了重要作用［3］。 工程總體分布如圖1。

圖1 龍茜供水工程、北線引水工程整體分布圖

自2012年以來， 北線和龍茜玻璃鋼夾砂管已發(fā)生5次漏水和4次爆管，嚴重威脅沿線鐵路、學校、居民區(qū)等公共安全。為保障供水安全，須在保證原設計輸水規(guī)模的前提下，對沿線隱患管段進行安全整改。整改設計采用并管改造方案，即在部分位置將龍茜、北線兩線并管成DN3400鋼管，合并管在下游與現狀管道通過三梁岔管連接如圖2。

圖2 并管改造方案示意圖

三梁岔管是用三根首尾相連接的曲梁作為加固構件［4～6］（如圖3）。 其中，U梁承受較大的不平衡水壓力，是梁系中的主要構件；腰梁1承受的不平衡力較??；腰梁2用來加固主管管壁。同時，兩根腰梁有協(xié)助U梁承受外力的功用。 三梁岔管的體型設計精確與否，直接關系到工程的運行安全。 目前，相關規(guī)范大多采用解析法計算岔管的各點坐標， 從而繪制出管身曲線［7］，該計算流程繁雜，精度有限。 為保證工程質量，提高設計精度，本文采用基于CAD平臺二次開發(fā)的ZDM輔助軟件進行岔管的體型設計， 從而較精確得到岔管的各特征點坐標；同時采用“水利水電計算程序集”中的“三梁式卜型岔管”模塊進行岔管相貫線的方程計算，從而得到加固梁的平面投影曲線。該方法為岔管預制和現場施工提供了指導。

圖3 三梁岔管示意圖

2 三梁岔管體型設計

2.1 管徑、壁厚設計

整改工程沿線管道均采用鋼管， 管徑分別為DN3400、DN2800和DN2200，管材為Q345C鋼，管頂平均覆土深度為2～6m，局部最大埋深達12m。 根據管徑及施工方法， 對各種管徑及不同覆土深度情況下的管道進行承載能力極限狀態(tài)、 正常使用極限狀態(tài)的強度、穩(wěn)定和剛度計算，可得到各管壁厚。 管道設計參數如表1。

表1 不同管徑的管道設計參數 單位：mm

2.2 岔管體型參數設計

較好的岔管體型應具有較小的水頭損失、 較好的應力狀態(tài)并易于制造。 為保證水流通過岔管各斷面的平均流速相等，或使水流處于緩慢的加速狀態(tài)，分岔角的選擇尤為重要。若分岔角過小，不僅會增加分岔段的長度，也會使得加固梁尺寸過大，從而不易制造。 一般而言，分岔角一般在30°～75°范圍內，較常采用的范圍是45°～60°［8］。本工程結合實際需要，三梁岔管的分岔角選為45°。

對于三梁岔管，分岔后錐管腰線轉折角可取0°～15°， 宜用5°～12°［8］， 若轉折角過大則易引起應力集中。 結合規(guī)范取值，本工程主管錐角度選為3°，支管錐角度選為8°。

2.3 體型設計步驟

（1）在CAD制圖軟件中，使用ZDM輔助設計軟件依次選擇 “土建”-“展開圖”-“生成Y型卜型岔管體型及相貫線”，根據軟件提示輸入岔管相關參數。 之后，軟件自動計算并生成岔管平面展開圖，如圖4。

圖4 三梁岔管平面展開圖

（2）在生成岔管平面圖的基礎上，為便于管節(jié)預制定位， 可進一步利用ZDM軟件來生成主管和支管展開圖，從而得到接口的平面形狀及其控制點參數。依次選擇 “土建”-“展開圖”-“按相貫線展開正圓臺”，根據軟件提示輸入參數后可得到主管和支管的平面展開圖，如圖5和圖6。之后，利用坐標標注命令，沿展開圖獲取主、支管坐標表，以利于下料。

圖5 主管展開圖

圖6 支管展開圖

3 三梁岔管相貫線計算

3.1 相貫線平面曲線計算原理

岔管的結合部位易引起應力集中，利用U梁和腰梁的局部加固和補強作用， 可有效改善管道連接處的受力狀態(tài)。 一般而言，對于大型管道，岔管均采用工廠預制。 在制作過程中，加固梁常沿相貫線布置，一般加于管殼之外，內外緣均為空間曲線，其平面投影為橢圓弧線。因此，只有明確了相貫線的空間形狀后，方能進行加固梁制作。岔管相貫線平面曲線理論計算方程如下［9］（計算圖如圖7，平面細部圖如圖8）。

圖7 岔管相貫線計算原理圖

圖8 三梁岔平面細部圖

3.1.1 FM線（橢圓）方程

3.1.2 NE線（橢圓）方程

3.2 工程計算結果

根據以上計算原理，利用軟件“水利水電計算程序集”中的“三梁式卜型岔管結構計算”模塊，在軟件中輸入管道相關參數后， 可自動計算出岔管相貫線的相關參數。值得注意的是，在軟件中應對加固梁的橫截面形式進行選擇。 加固梁的橫截面形式比較常用的有矩形和T形。 采用T形截面的目的是為了采用較薄的腹板獲得較大慣性矩， 而采用矩形截面的加固梁應避免采用瘦高截面。 本工程設計為T形斷面。岔管相貫線計算結果如表2。

表2 相貫線參數計算 單位：mm

結合計算數據，可繪制出U梁和腰梁的平面投影線，如圖9～圖11。

圖9 岔管U梁相貫線圖

圖10 岔管腰梁1相貫線圖

圖11 岔管腰梁2相貫線圖

4 實際工程應用

北線引水工程安全隱患整改的計劃總工期為16個月，即2018年12月初至2020年3月底。 總工期按階段分三階段，即工程準備期、工程施工期、工程完建期。 該工程為帶狀工程，工程建筑物布置較為分散，施工線路長、涉周邊建筑物較多；同時該工程主要以土方工程、管道和混凝土工程為主，工程量較大，主體工程施工強度高。在施工過程中，岔管承擔著連通上游新建和下游已建管道的重要任務， 且其點位較多，整體施工難度較大。通過對岔管進行科學的體型設計，保證了岔管施工的順利進行，其施工現場如圖12。 工程實踐表明：結合ZDM和“水利水電計算程序集”對三梁岔管體型進行設計，其精度符合施工的誤差要求，可對實際施工提供技術指導。

圖12 三梁岔管現場施工圖

5 結語

（1）根據相關規(guī)范確定岔管參數后，可利用ZDM輔助設計軟件進行管道平面展開圖的繪制， 并得到主、支管控制點坐標，以利于管道預制。

（2）主、支管相交處是岔管的受力薄弱處，須利用U梁和腰梁進行加固補強。根據岔管的相貫線平面曲線方程，結合“水利水電計算程序集” 中的相關程序可較精確得到U梁、腰梁的平面投影曲線，從而為加固梁的焊接提供技術指導。

（3）工程實踐表明，以上體型設計方法具有準確可靠、簡單快捷的優(yōu)點，相關軟件和程序集的使用可大大簡化眾多復雜公式推算才能得到坐標、參數值，提高了工作效率和設計精度， 也很好地指導了實際施工。該方法可為今后類似施工提供一定借鑒和參考。