路 佳
(南寧建寧水務投資集團有限責任公司,廣西 南寧 530031)
隨著我國經濟的增長以及城市化的推進,市民對于生活用水的要求越來越高。為保障城市用水的質量與安全,不少城市都修建了第二水源地工程,通過輸水管線將清潔的水資源輸向城市。沉管法施工具有施工周期短、工程造價低、技術成熟等優(yōu)勢,因此是敷設河底管線時的一種常用的施工方法[1-5]。
由于大口徑沉管法輸水管線位于水下,很難從外部進行維護保養(yǎng),因此通常需要先將其排空,然后再由操作人員進入并進行修理維護[6-9]。在浮力的作用下,管線會發(fā)生上浮,其結構受力和變形也將發(fā)生變化,為操作人員和管線自身帶來一定的安全風險。為了定量地研究管線在排水維護過程中受力變形的變化,本文建立了包含管線和河底地層的有限元模型,并對大口徑整體沉管的排水過程進行了模擬,為實際工程提供理論參考。
廣西南寧市邕江上游引水工程一期輸水管線工程需要穿越邕江,向河南水廠以及凌鐵水廠輸送原水。經方案比選與專家論證,最終采用水下深槽沉管施工方案,保證了邕江兩側岸堤的穩(wěn)定性與抗?jié)B性,大幅降低了管線的施工費用。
邕江水位的絕對標高在67 m 左右,跨江管線長度為438 m,采用一根φ2 620 mm×28 mm 鋼管。采用了水下溝槽開挖、管道焊接預制、整體管道下沉安裝的施工方法。為了滿足管道抗浮與防沖刷要求,管道覆土深度達到了4.5 m。為了節(jié)約施工時間及溝槽開挖量,沉管管道沿河道地形呈“V”字形布設,最低點絕對標高為39 m,沉管縱斷面布置見圖1。邕江河床主要以圓礫為主,為了防止管道檢修過程中,空管因為浮力而發(fā)生上浮,采用粒徑15~40 mm 砂礫石回填,并用石籠覆蓋,具體回填做法見圖2,回填后管道覆土厚度大約為2 400 mm。
圖1 水下管道縱斷面圖
圖2 下管道橫剖面圖
為了研究排水對管道受力變形的影響,選取了河床底部20 m 長的管線與地層,建立如圖3 所示的三維有限元模型。地層分為河床和回填石塊兩部分,采用實體單元建立,開挖坡度為1∶3。如表1 所示,河床的地層主要為圓礫,彈性模量按照地勘報告中的壓縮模量選取,回填石塊為粒徑15~40 mm 的砂卵石,按照與圓礫相同的材料參數選取。沉管為直徑2 600 mm 厚度28 mm 的鋼管,本文中采用殼單元進行模擬。
圖3 有限元計算模型
表1 材料參數表
在模型頂部設置250 kPa 水壓力,用以模擬河道表面的水壓力。輸水管道內壁的水壓力按照靜水壓力來考慮,每一節(jié)點上的壓力與其深度呈正比。通過減小其管道內部的水頭高度來反映維修過程中鋼管排水的過程,本文共計算了管內水頭為30 m、24 m、18 m、12 m、6 m 以及0 m 的6 個工況。當鋼管內水頭為零時,表示鋼管已經排空,浮力達到最大。
(1)管道上浮位移
圖4 是管道排水結束后的豎向位移,管內壓力減小使管道直徑縮小。當水頭高于管頂時,管內水壓力的變化并不會引起管道中心的位移變化,當水頭降至管頂以下時,管道在浮力的作用下出現(xiàn)向上位移。當管內水完全排空,鋼管中心整體上浮量達到2.21 mm。
圖4 管道頂部上浮量
(2)鋼管壁應力變化
圖5 為管內水頭為0 m 時每延米鋼管壓力分布,最大壓力主要分布于鋼管左右90°位置,最大壓力為每延米1 134 kN。鋼管壁厚為28 mm,可以得到各工況下鋼管的壓應力變化,見圖5。鋼管在上覆土的作用下呈受壓狀態(tài),內水壓作用下會使管壁產生環(huán)向拉應力,從而抵消一部分壓應力。如圖6 所示,隨著管內水頭高度由30 m 降低至0 m(即空管),管壁的最大壓應力明顯增大,由24.75 MPa 升高至37.64 MPa,能夠滿足設計要求。
圖5 輸水管道最大壓力(單位:N/m)
圖6 管壁最大壓應力隨管內水頭變化
(3)鋼管壁附加應力計算
以30 m 水頭時的管壁壓應力為基礎,繪制出各水頭高度對應的管壁附加應力,見圖7。
圖7 管壁附加應力
可以通過內水壓變化量來計算出管壁附加應力:
式中:Δp0為排水引起的鋼管內壁附加應力;Δpw為鋼管內平均水壓變化;D 為鋼管直徑;t 為鋼管壁厚。
從圖7 中,可以看出采用式(1)計算出的鋼管附加應力與有限元計算結果基本一致。
本文以邕江輸水管線為例,采用有限元方法建立了河底輸水管線和周邊地層的力學模型。通過對沉管管道內壓的調整,模擬了該段水平管線的排水維護過程。重點分析了管內水位對管線環(huán)向受力以及豎向位移的影響,為保障管線運營階段安全提供了理論依據與參考價值。本文所得到的主要結論如下:
(1)當水頭高于管頂時,管內水位對管線豎向位移影響較小。當管內水位低于管頂標高時,隨著水位的降低管線出現(xiàn)上浮趨勢。
(2)管線在排水過程中,管壁環(huán)向以壓應力為主。隨著管內水頭的降低,管道所受浮力明顯增加,使管壁壓應力增大。當管內水完全排空時,鋼管應力達到最大,能夠滿足設計要求。