徐三才

(富邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，江西 九江 332400)

1 工程概況

某新建長(zhǎng)距離輸水工程，輸水建筑物以管道工程為主，管道工程由輸水管、倒虹吸及提水管道三部分組成，干線及支線管道總計(jì)152條，總長(zhǎng)532.27m，設(shè)計(jì)流量9.24-0.022m3/s，管徑3.0-0.2m，設(shè)計(jì)壓力4.4MPa-0.1MPa。管道沿線總體布置結(jié)合地形、地質(zhì)條件、流量大小、水頭高低和跨越河流、溝渠、道路和支承形式等情況，采用了明管、淺埋管、鋼筋混凝土包管、架空管和地下埋管等多種不同的布置方式。

2 設(shè)計(jì)方法及理念

2.1 輸水管布置方法

工程輸水管及倒虹吸首末端一般與箱涵、隧洞、泵站進(jìn)水池等建筑物相接，在輸水管及倒虹吸的進(jìn)出口設(shè)置進(jìn)出水池以滿足水面線銜接要求。管線布置時(shí)，地形較陡的坡面以明管敷設(shè)，地形平緩地帶、農(nóng)田，為便于保護(hù)耕地及減少人機(jī)活動(dòng)對(duì)管道的影響，采用埋管形式。與公路、河流、溝谷等交叉處，根據(jù)跨越地物的特征、跨度及墩架布置條件，采用高支墩架空管、鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)管橋上敷設(shè)管道及架空?qǐng)A弧管等形式從上部跨越，或者采用鋼筋混凝土包管、交叉涵洞內(nèi)敷設(shè)管道等形式從下部穿越。此外，管線較長(zhǎng)或地形坡度上下起伏較多時(shí)，在較低、較高點(diǎn)位置設(shè)置排氣及排(泥)污設(shè)施。

2.2 管材比選方法

該工程中管材占投資的比例較大，管材選用不當(dāng)會(huì)增加不必要的投資，管材的選取以節(jié)省投資、便于施工、運(yùn)行安全為原則，結(jié)合工程規(guī)模、適用性、工程地質(zhì)地形、引水流量、工作水頭及工程的工期要求等綜合考慮選取管材。

根據(jù)管材選擇原則，該工程提水管均選用各項(xiàng)性能較穩(wěn)定的Q355C鋼管，輸水管及倒虹吸的管材可在鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)等管材之間進(jìn)行比選，具體比選過程不再贅述。經(jīng)各種管材綜合比較后，該工程輸水管及倒虹吸可采用鋼管、K9級(jí)球墨管及預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土(PCCP)管三種管材。

2.3 管徑選擇方法

根據(jù)工程總體布置，結(jié)合灌區(qū)規(guī)劃要求，對(duì)于水頭有限的輸水管及倒虹吸，結(jié)合管道工程造價(jià)，合理降低流速，對(duì)水頭富裕的輸水管及倒虹吸，可充分利用水頭，盡可能提高管內(nèi)流速，減小管徑以節(jié)約管道工程量，從而減小工程造價(jià)；另外，為整體上控制單個(gè)倒虹吸水損，便于小流量工況的運(yùn)行、消能，對(duì)長(zhǎng)度較長(zhǎng)或使用管材糙率較大的倒虹吸適當(dāng)增大管徑。

2.4 其他設(shè)計(jì)

管道水力設(shè)計(jì)：管道進(jìn)口水位淹沒深度滿足各流量工況下的淹沒深度要求，具體按《水利水電進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》要求確定，并滿足最小淹沒深度≥2.0m的要求；為保證水流穩(wěn)定，倒虹吸出口在各流量工況下也應(yīng)有一定的淹沒深度，其淹沒深度依據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》要求確定。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含壓力鋼管應(yīng)力計(jì)算和抗外壓穩(wěn)定校核，各斷面的應(yīng)力計(jì)算及校核公式按《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》選用，選取跨中及支座、加勁環(huán)等斷面進(jìn)行強(qiáng)度校核。球墨鑄鐵管道除滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求外，還需滿足正常使用的要求，包括抗浮、抗滑、地基承載力，正常使用狀態(tài)驗(yàn)算荷載均使用標(biāo)準(zhǔn)值。

鎮(zhèn)、支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：除尺寸設(shè)計(jì)外，鎮(zhèn)、支墩設(shè)計(jì)還應(yīng)包括地基承載力計(jì)算以及抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算等，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 管道典型設(shè)計(jì)

典型輸水管長(zhǎng)度為8.23km，管徑為D=2.2m，從布置上根據(jù)地形地質(zhì)及盡量減少永久征占地，采用明埋結(jié)合的布置形式，從管材上選擇了PCCP管和Q355C鋼管兩種不同管材相互交替使用的方式，也是本輸水干線管道工程中管徑最大的輸水管，因此選取該輸水管作為典型建筑物設(shè)計(jì)。輸水管由供水管道、鎮(zhèn)墩、閘閥房(井)等建筑物組成，上下游建筑物均為管道，不設(shè)進(jìn)出水池，直接與上下游管道連接。

3.1 管線布置

新建輸水管道沿線地形平緩，屬緩坡，坡度在12°-36°，地表大部為第四系沖洪積層，厚度2.5-10.0m不等，以耕植土、粉質(zhì)黏土、砂卵礫石為主，下伏基巖為紫紅色泥巖夾鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r，埋深較深，沿線斷裂、褶皺不發(fā)育，也無對(duì)管道有影響的不良物理地質(zhì)體，地下水活動(dòng)微弱，以松散層孔隙水為主。管道基礎(chǔ)大部置于沖洪層粉質(zhì)黏土或砂卵礫石層上，結(jié)構(gòu)密實(shí)，承載力可滿足要求，基礎(chǔ)開挖邊坡全為土質(zhì)邊坡，透水性中等，地基土中無粉砂、粉砂土，不會(huì)發(fā)生地震液化，邊坡及基礎(chǔ)中等穩(wěn)定。

在壓力管道轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩，明管段和管橋段每隔8m設(shè)一支墩，所有鎮(zhèn)墩、支墩均采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆，所有管道直埋段管頂覆土厚度≥2m。在管道管段最低點(diǎn)設(shè)置放空閥和承壓式進(jìn)人孔，由于管道進(jìn)口連接主干渠道，管道運(yùn)行過程中隨時(shí)都有空氣進(jìn)入管道，因此，在管道中間高點(diǎn)設(shè)置復(fù)合式排氣閥，以便隨時(shí)排出管道中的空氣[1]。

3.2 管材選擇

從各種管材的投資方面看(未考慮運(yùn)輸及安裝費(fèi)用)，管材投資由大到小依次為：球墨鑄鐵管、鋼管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、預(yù)應(yīng)力混凝土管。

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好，使用壓力較低(1.0MPa以下)時(shí)，對(duì)中小口徑輸水管道，通過比較選擇球墨鑄鐵管、塑料管、夾砂玻璃鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管等管材；對(duì)大口徑輸水管道，可通過比較選擇預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管、鋼管。對(duì)單條重要的大口徑輸水管道，或地質(zhì)條件較差、使用壓力較高(1.0MPa以上)時(shí)，宜選用鋼管。當(dāng)輸水管道穿越河流、鐵路等時(shí)宜選擇鋼管。鋼管承擔(dān)內(nèi)壓高，結(jié)構(gòu)安全可靠，能適應(yīng)各種地形，適應(yīng)不良地基變形的能力好，對(duì)內(nèi)水壓力水頭超過100m的管段，考慮接頭的可靠性及運(yùn)行安全，管材選用鋼管。

輸水管長(zhǎng)為8230m，最大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為0.55MPa，擬定管徑D=2.2m，管線沿線地形坡度起伏不大，坡度為12-36°，典型管段地勢(shì)平坦，后斷坡度基本趨于0°，管線沿途穿越土壤肥沃的農(nóng)田，為少占耕地及減少人機(jī)活動(dòng)對(duì)管道的影響，采用適宜較大埋深的PCCP管，地面起伏較大跨河跨箐處，坡度12°-36°，無耕地，為明管布置，管材采用適宜沿山坡布置適應(yīng)變形的能力強(qiáng)的Q355C鋼管。典型輸水管設(shè)計(jì)基本參數(shù)見表1[2]。

表1 典型輸水管設(shè)計(jì)基本參數(shù)表

3.3 水力計(jì)算

典型輸水管水力計(jì)算包括水頭損失、水錘及過流能力計(jì)算。該輸水管長(zhǎng)度8230m，設(shè)計(jì)流量Q=4.0m3/s，管徑D=2.2m，流速v=1.03m/s，本階段水錘壓力按靜水壓的25%計(jì)算，則最大水頭為55m，在該水頭下輸水管正常運(yùn)行，千米水頭損失為0.405m，最大過流能達(dá)到4.1m3/s，>設(shè)計(jì)流量4.0m3/s，滿足過流能力要求。具體水力計(jì)算成果見表2。

表2 典型輸水管水力計(jì)算成果表

3.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

典型輸水管為明埋相結(jié)合的布置形式，埋管采用PCCP管(1.0Mpa)，明管采用Q355C鋼管。

3.4.1 鋼管部分的結(jié)構(gòu)計(jì)算

1)管壁估算

典型輸水管鋼管段長(zhǎng)380m，管徑D=2.2m，最大設(shè)計(jì)壓力為0.44MPa，經(jīng)過計(jì)算初選管壁厚度為16mm進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定計(jì)算。

2)抗外壓穩(wěn)定校核

本工程明鋼管外壓力按0.5倍大氣壓考慮，即0.05MPa，輸水管光面管的臨界外壓計(jì)算見表3。

表3 輸水管光面管臨界外壓pcr與所受外壓pok計(jì)算成果表

由以上計(jì)算表可得知，管壁厚為16mm時(shí)，光面管Pcr=2.0，即Pcr

3.4.2 PCCP管段設(shè)計(jì)

典型輸水管總長(zhǎng)8230m，其中PCCP管(1.0Mpa)段長(zhǎng)7850m。管道采用埋管形式，內(nèi)徑2.2m，正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)水壓力均為0.55MPa，上部覆土厚度2.7m，管槽兩側(cè)坡比為1:0.5，管基采用120°包角中、粗砂墊層，厚0.3m。

1)抗浮計(jì)算

典型輸水管布置于沿河左岸農(nóng)田，地下水位線較高，按地下水位線低于地面1.0m、覆土總厚度2.7m考慮。計(jì)算抗浮選用管內(nèi)無水工況，土體濕容重γ1取16kN/m3，浮容重γf取6.2kN/m3，管身每米重Gg=30.4kN，管外徑D1取2.53m。經(jīng)計(jì)算，每米管道向下的作用力為：管道自重Gg=30.4kN，覆土重量Gs=57.85kN，向上的作用力浮力Ff=38.0kN，抗浮安全系數(shù)Kf=2.32，>導(dǎo)則規(guī)定的系數(shù)Kf=1.1，滿足要求。

2)地基承載力計(jì)算

計(jì)算地基承載力采用管內(nèi)滿水工況，按地下水位線低于地面1.0m、覆土總厚度2.7m考慮。輸水管表層土多為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土、粉土，以淤泥質(zhì)黏土強(qiáng)度最低，承載力特征值為110-130kPa，其他均在120kPa以上。以淤泥質(zhì)黏土為典型進(jìn)行承載力修正，承載力特征值取fak=120kPa，基底埋深為d=5.0m，土體濕容重γ1仍采用16kN/m3，加權(quán)重度γm計(jì)算得6.2kN/m3。每米管道向下的作用力為：管道自重Gg=30.4kN，覆土重量Gs=57.85kN，水重WD=39.367kN，對(duì)回填土ηb取0，ηd取1.5，經(jīng)修正后fa=147.90kPa，>基底壓力pk=127.61kPa，地基承載力滿足要求。對(duì)地基經(jīng)擾動(dòng)后承載力降低情況，根據(jù)需要采用換填或改變管基型式等處理措施，使承載力滿足要求。

3)沉降計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)成果，地基天然分層較多且不均勻，物理力學(xué)指標(biāo)復(fù)雜多變，其中淤泥質(zhì)黏土壓縮模量為0.6-1.3MPa，粉質(zhì)黏土壓縮模量為2-4MPa。為簡(jiǎn)化計(jì)算，按地層為單一土質(zhì)，分別取淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土為代表進(jìn)行計(jì)算，不考慮壓縮模量隨土應(yīng)力區(qū)間的變化，回填土壓縮模量取4MPa，粉質(zhì)黏土壓縮模量取2MPa。計(jì)算至規(guī)范要求地層深度，按回填土地層時(shí)沉降量為45mm。管道基底附加應(yīng)力為127.61kPa，相對(duì)較小，但按地層為淤泥質(zhì)黏土計(jì)算時(shí)沉降量仍較大，考慮地基整體上沒有發(fā)生突變，全管段發(fā)生同步沉降仍不影響運(yùn)行，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)為5m，各管段間采用承插接口相連，接口設(shè)兩道橡膠止水圈，不均勻沉降量在接口處可逐段調(diào)節(jié)，對(duì)地基有較好的適應(yīng)能力，在地基特性緩慢變化的情況下能滿足運(yùn)行要求[3]。

3.5 鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鎮(zhèn)墩體積取決于鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定所需的重量，且按最不利工況確定鎮(zhèn)墩重量。結(jié)合地質(zhì)地形條件及鎮(zhèn)墩最小構(gòu)造要求，最終確定明管段的鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 典型輸水鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果表(部分)

計(jì)算結(jié)果表明：各鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定滿足要求；鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力最大溫升工況為234.52kPa，最小應(yīng)力出現(xiàn)在溫降工況為5.98kPa，均滿足承載力要求。

4 結(jié)論和建議

以典型管道設(shè)計(jì)為例，從管線布置、管材選擇、水力及結(jié)構(gòu)計(jì)算、鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)方法，從而提高工作效率，減少工作量，為設(shè)計(jì)工作減少不必要的人力財(cái)力浪費(fèi)。此外，管道防腐也是管道設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。