楊 彬

(廣州市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣州 510640)

1 工程基本情況及方案設(shè)計

1.1 工程背景

廣州市天河區(qū)車陂路北延線工程南聯(lián)車陂路過江隧道，北接柯木塱南路，作為中新知識城至生物島快速通道在天河區(qū)內(nèi)的重要節(jié)段，起到整個快速通道建設(shè)承上啟下的作用。車陂北延線穿廣州環(huán)城高速隧道段施工范圍埋設(shè)有一條DN1800的三涌補(bǔ)水工程的補(bǔ)水管道，主要擔(dān)負(fù)處于中心城區(qū)的幾條重要河涌的補(bǔ)水任務(wù)。隧道施工段與現(xiàn)狀補(bǔ)水管線高程上存在沖突，由于管材本身的局限性無法滿足隧道施工要求，同時影響補(bǔ)水任務(wù)的正常進(jìn)行，因此管線遷改的實(shí)施是必要的。

1.2 設(shè)計方案

車陂北延線隧道基坑施工范圍與三涌補(bǔ)水二期管線原設(shè)計樁號為4+822.46～4+966.74段發(fā)生沖突，現(xiàn)需對現(xiàn)狀管道進(jìn)行臨時遷改，待基坑施工完畢后，再對臨時遷改的管道進(jìn)行永久遷改，其后拆除臨遷管道，該段管線需遷改長度為144.28m。本次臨時遷改管線合計長度為211.75m，永久遷改管線合計長度為157.25m。

由于遷改管段轉(zhuǎn)變較大，對于管材的材料的材質(zhì)要求較高，特別是管段的整體性和連接牢固性。經(jīng)過對PCPP、球墨鑄鐵及鋼管等管材進(jìn)行比選，本工程新建遷改補(bǔ)水管采用D1820×16鋼管，其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合相關(guān)要求，管壁厚為16mm。管道使用年限為50a。

本次永久遷改管道敷設(shè)考慮采用明挖方式，放坡開挖段兩側(cè)均采用1：1邊坡開挖。溝槽填土按分區(qū)密實(shí)原則布置。本次設(shè)計永久遷改段給水管管底距離隧道頂垂直凈距為0.3m，該段給水管位于非機(jī)動車道處，本次設(shè)計覆土深度為1.0m。

工程總體流程按照：臨遷管施工→車陂北延線穿環(huán)城高速段隧道基坑及基坑內(nèi)結(jié)構(gòu)施工→永遷管施工→拆除臨遷管的順序進(jìn)行。管道遷改的起點(diǎn)及終點(diǎn)位置擬使用PCCP-鋼管轉(zhuǎn)換接頭進(jìn)行銜接。

2 鋼管管道厚度復(fù)核計算

2.1 受力條件分析

縫隙ζ2的建議取值范圍為(3.5-4.3)×104r(r為鋼管內(nèi)半徑)。本次設(shè)計管道內(nèi)半徑為0.894m，經(jīng)計算取縫隙ζ2=0.38mm。

縫隙判別條件：σRr/Es2≥ζ2。經(jīng)計算，鋼管的抗力限值σR=161.538N/mm2，平面應(yīng)變的鋼材彈模Es2=226373.63N/mm2，σRr/Es2>ζ2=0.38mm。

2.2 內(nèi)水壓力設(shè)計值計算

依據(jù)相關(guān)報告水錘計算章節(jié)，可得到水錘壓力計算值為H水擊=68.70m。

對應(yīng)公式，內(nèi)水壓力設(shè)計值p=γWH=γW[γQ1×(Z蓄-Z安)+γQ2×H水擊]

各種作用分項系數(shù)取值為：水壓力γQ1=1.0，水擊(水錘)壓力γQ2=1.1。將各參數(shù)帶入可得內(nèi)水壓力設(shè)計值p=0.75N/mm2=0.75MPa。

壓力鋼管內(nèi)的靜水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，一般取值與設(shè)計內(nèi)水壓的計算值一致，且鋼管試驗壓力≥0.9MPa，因此本次遷改段的鋼管試驗壓力取值為1.0MPa，設(shè)計工作壓力取值為0.5MPa。實(shí)驗應(yīng)符合相關(guān)驗收規(guī)范中的要求。

2.3 管壁厚度計算

內(nèi)壓設(shè)計按照巴洛(Barlow)環(huán)向應(yīng)力計算，則管壁厚度t按下式計算：

(1)

式中：p為內(nèi)水壓力設(shè)計值，N/mm2；r為鋼管內(nèi)半徑，mm；σR為鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值，N/mm2。

經(jīng)計算，管壁厚度t= 5.5m，考慮銹蝕厚度4mm。承受外壓的直管厚和加強(qiáng)要求應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼制壓力容器》GB150-3.7的規(guī)定。

2.4 計算結(jié)果分析結(jié)論

經(jīng)理論計算所得鋼管壁厚一般偏小，通常建議按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。結(jié)合鋼管標(biāo)稱外徑、標(biāo)稱壁厚表，確定本次鋼管尺寸為D1820×16。

2.5 管道附屬設(shè)施

輸水管渠內(nèi)宜設(shè)置檢查井與通氣設(shè)施，以滿足管道實(shí)際正常運(yùn)行的需求。本次遷改段管道附屬設(shè)施包括：

1)檢修閥井2座，位于管道遷改起點(diǎn)及終點(diǎn)處；

2)空氣閥井1座，位于管道遷改段頂點(diǎn)處；

3)PCCP-鋼管轉(zhuǎn)換接頭2件；

4)鎮(zhèn)墩2個，位于管道遷改起始及終點(diǎn)位置彎折處。

3 水頭損失分析(定量計算)

3.1 東圃泵站揚(yáng)程數(shù)據(jù)

原三條河涌聯(lián)合補(bǔ)水二期工程為新建一條抽水干線管道，引東圃泵站水至調(diào)蓄池。東圃泵站水頭損失為自身泵站水頭損失及環(huán)城主干管線沿程和局部水頭損失，計算上另考慮推薦管材及管線局部高點(diǎn)。管材采用PCCP管。東圃泵站特征揚(yáng)程計算結(jié)果如表1。

3.2 基本設(shè)計資料

1)現(xiàn)狀管道遷改長度為144.28m，遷改段整段為直管，無彎折。管材為D1800 PCCP管，管道的內(nèi)壁為混凝土，粗糙系數(shù)為n=0.013。

2)臨時遷改管道長度為211.75m，有4處<30°的轉(zhuǎn)彎，管材為D1820×16焊接鋼管。

3)永久遷改管道長度為157.25m，有4處<60°的轉(zhuǎn)彎，管材為D1820×16焊接鋼管。

表1 東圃泵站特征揚(yáng)程計算表

3.3 本次管線遷改段相關(guān)設(shè)計參數(shù)

遷改段設(shè)計參數(shù)表，見表2。

表2 遷改段設(shè)計參數(shù)表

3.4 參數(shù)選取

1)鋼管的粗糙系數(shù)為n=0.013。

3)經(jīng)試算，沿程水頭損失系數(shù)λ=0.013[2]。

3.5 全段水頭損失計算及分析

1)東圃泵站至車陂北延線隧道段管道水力損失為：

兩三歲的孩子會對自己和他人的身體表現(xiàn)出濃厚的興趣：許多孩子喜歡摸自己的生殖器，有時他們也會要求摸媽媽的乳房，跟媽媽一起洗澡。面對這些情況，父母表現(xiàn)出來的態(tài)度越坦然，越有利于孩子接收正確的信息。

2)補(bǔ)水管在車陂北延線隧道段提升所需揚(yáng)程(考慮補(bǔ)水管管頂標(biāo)高)

由《東圃泵站特征揚(yáng)程計算表》可知，泵站水力損失為1.49m，東圃泵站至車陂北延線隧道段管道水力損失為10.13m，則補(bǔ)水管在車陂北延線隧道段提升所需揚(yáng)程為：

①臨遷管：H凈+hf+hj+h泵=(12.05+0.9-1.05)+10.13+1.49=23.52(m)

②永遷管：H凈+hf+hj+h泵(15.75+0.9-1.05)+10.13+1.49=27.22(m)

由上述計算結(jié)果可得知：

1)補(bǔ)水管在處提升所需揚(yáng)程27.22m<泵站設(shè)計總揚(yáng)程37.02m。

2)驗算結(jié)論：補(bǔ)水管的水頭可以通過臨遷管及永遷管。

3.6 遷改段水頭損失計算

依據(jù)上述公式可得水頭損失計算值如下表所示。

1)現(xiàn)狀管道水頭損失

(2)

2)臨時遷改管道水頭損失

(3)

3)永久遷改管道水頭損失

(4)

表3 水頭損失計算成果表

3.7 遷改段水頭損失分析

1)現(xiàn)狀泵站及輸水管的總水頭損失值

根據(jù)《東圃泵站特征揚(yáng)程計算表》數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)狀泵站及輸水管的總水頭損失為19.05+1.49=20.54m 。

2)遷改管段的水頭損失變化值見表4。

3)遷改管道水頭損失變化率

由以上計算結(jié)果可知，臨時遷改后的水頭損失增加僅為0.214m，為原泵站及輸水管的總水頭損失的0.214/20.54=1.04%；永久遷改后的水頭損失增加僅為0.069m，為原泵站及輸水管的總水頭損失的0.069/20.54=0.34%。

表4 遷改管段的水頭損失變化值表

表5 遷改管道水頭損失變化率表

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，遷改管道水頭損失變化值及變化率均較小，故可知遷改工程對泵站及輸水管水頭損失的影響非常小。

4 流量、用電量等影響分析(定性分析)

4.1 流量影響分析

管道特性的改變(管道長度、材質(zhì)、局部損失等)，在同等的其他運(yùn)行條件下，流量揚(yáng)程會發(fā)生相應(yīng)變化，以東圃水泵參數(shù)為例，管道變化會導(dǎo)致曲線左移，流量減小。

同時，管道的老化程度、水質(zhì)對水損的影響、水泵閥門等老化磨損影響，甚至管道摩擦系數(shù)選取、局部水損系數(shù)選取等，都會影響水力計算的準(zhǔn)確性，無法完全依據(jù)曲線圖讀出流量變化值，通常會與實(shí)際情況存在差異。因此建議流量變化以實(shí)測為準(zhǔn)，本次僅做定性分析。

綜上分析，本次遷改段對泵站的運(yùn)行及流量的影響非常小。

4.2 用電量影響分析

用電量主要與開關(guān)水泵時間有關(guān)，其他影響相對較小，大致可忽略。

5 結(jié) 論

結(jié)合車陂北延線段補(bǔ)水管線遷改工程，提出了合理可行的管線遷改方案，并對管線遷改對現(xiàn)狀三涌補(bǔ)水管線運(yùn)行安全的影響進(jìn)行了定量計算及定性分析，最終得出結(jié)論，遷改段各項指標(biāo)滿足要求，不影響補(bǔ)水任務(wù)的正常進(jìn)行。本次計算所采用公式及圖表均較于實(shí)際情況有所簡化，管道的糙率、管道的內(nèi)部空氣阻力以及管道因遷改需要而使用的彎段接頭都是造成沿程水頭損失和局部水頭損失增加的原因。在允許的范圍盡可能的減小管道的水頭損失，以及合理安排管線接駁期間的停水計劃是管線遷改方案需要重點(diǎn)關(guān)注的方面。

中心城區(qū)補(bǔ)水管線工程的建設(shè)是水資源優(yōu)化配置的重要措施，是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中重要的一環(huán)。隨著城市的發(fā)展，人口的快速增長，完善城市中心城區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、緩解交通壓力越發(fā)迫切，隨之而來的道路擴(kuò)建、地鐵、隧洞的建設(shè)，也讓地下補(bǔ)水管線等面臨不斷地遷改。而補(bǔ)水管道的運(yùn)行及維護(hù)是一項復(fù)雜且系統(tǒng)的工程，管線遷改的安全計算分析研究工作仍需從多方面不斷地完善和充實(shí)。