張 璐，劉淵博，阿懷瑾

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

排洪管涵作為排洪工程中常見構筑物，大多為鋼筋混凝土結構，存在施工周期長、地基適應性差等缺點[1]。近年來，我國基礎設施建設迅速發(fā)展，一些新的工藝正在逐漸發(fā)展，其中鋼波紋管涵作為一種新型的材料結構，在排水工程中的應用越來越廣泛。相比傳統(tǒng)管涵結構，鋼波紋管結構簡單、可標準化生產、施工速度快，建設周期短，現(xiàn)場安裝不需要大型設備，運輸安裝方便，對基礎氣候條件要求不高，用在工程建中存在軟土、凍土、濕陷性黃土、膨脹土等不良地質條件下可起到較好的效果[2]。

目前鋼波紋管在公路涵洞中應用較多，在水利工程中鮮有應用[3]，但由于公路工程排水涵洞普遍具有線路直，長度短、無分支、過水時間短、防滲要求不高等特點，較少遇到長距離管道中不均勻沉降、管道轉彎或與分支銜接、防滲要求高等問題。本文通過介紹大管徑、長距離、拼裝鋼波紋管在山洪防治工程中的設計情況，對大管徑、長距離鋼波紋管在不均勻沉降、防水性能、管件及連接方式、輔助設備等方面進行了更進一步的論述，希望加強對鋼波紋管在水利工程中應用的研究，并為這種管材在水利工程中的應用提供借鑒。

1 工程概況

某工程位于陜西省北部某城市，項目區(qū)周邊低山環(huán)抱，降水具有年際變化大，年內分配不均的特點，降雨集中于夏季且多陣雨、暴雨，容易形成山洪災害，為了保證項目區(qū)防洪安全，工程設計沿周邊山體修建截洪渠道將周邊洪水收集，收集后的洪水通過兩根排洪管道排泄至下游湖體中。排洪管道最長為2.17 km。最大設計流量為56 m3/s。管道沿線地質條件為人工整平壓實溝道，排洪干、支渠以壓實填土為主，壓實填土層層厚7.50～15.60 m。

2 管材選擇

工程設計結合水文、地形條件，進行了過流能力計算，通過計算確定排洪管道設計管徑為3.5 m。滿足要求的排水管道有鋼筋混凝土管、預應力鋼筋混凝土管、鋼波紋管。鋼筋混凝土管與預應力鋼筋混凝土管有管道耐壓性強、糙率小，管件連接技術成熟等優(yōu)點，但管道重量大，管道施工需要吊裝，工程區(qū)為人工回填地基，管槽需采用混凝土基礎，基礎尺寸大，工程量大，工程投資高；鋼波紋管強度高，耐壓性強，3.5 m 以上同等管徑價格較混凝土管低，經比較，采用鋼波紋管較采用鋼筋混凝土管每延米綜合單價節(jié)省約40%，經濟效益顯著。鋼波紋管對復雜地形能力適應性較強，管道重量輕，運輸方便，可現(xiàn)場拼裝，施工簡單快速。因此，選擇鋼波紋管。

3 管道設計

3.1 管徑選擇

通過前期咨詢與市場調查，滿足本工程設計覆土厚度的鋼波紋管基本有兩種，管徑不大于3.0 m，管道為整體型管道，管徑大于3 m，管道為拼裝管道。本次采用3.0、3.5、4.0 m三種管徑比選，確定滿足過流能力且經濟的管徑。

干管管道長2.17 km，管道底坡比降為0.04～0.06，目前在水利行業(yè)尚無鋼波紋管設計規(guī)范，設計中參考了部分省份公路工程行業(yè)的地方標準，管道糙率取0.033。根據(jù)工程布置干管上設置了調蓄水池且沿途有支管匯入，管道過流能力計算采用涵洞過流能力計算公式，根據(jù)每段管道流量、洞徑、洞前水位、洞長、比降等判斷管道內流態(tài)，從而選擇不同公式進行過流能力試算。

通過計算分析，采用3.0 m 管徑計算時管道為有壓過流狀態(tài)，過流能力不滿足，采用3.5 m與4.0 m管徑計算時，管道為無壓流狀態(tài)，可滿足過流能力且滿足管道過流斷面凈空面積不小于15%的要求，所以選擇管徑為3.5 m。

3.2 結構設計

設計參考《公路波紋鋼涵洞技術規(guī)程》（TCECSG：D66-01-2019），計算時首先計算管頂荷載產生內力；然后按承載能力極限狀態(tài)進行作用效應組合，計算最不利效應組合；初步選取合適的波形及鋼波紋管，根據(jù)鋼波紋管規(guī)格參數(shù)計算鋼波紋管結構設計抗壓承載力；根據(jù)結構破壞條件進行驗算，判斷強度要求是否滿足承載能力的要求，若滿足則選定的波形及鋼波紋管滿足要求，若不滿足在重新選取合適的波形及鋼波紋管，進行以上計算。

3.2.1 內力計算

根據(jù)《公路波紋鋼涵洞技術規(guī)程》（TCECSG：D66-01-2019），鋼波紋管道內力應考慮管頂永久作用、可變作用、地震作用產生的管壁壓力。本工程管道上部僅有覆土，覆土厚11 m，管道上不過車，無活荷載，不考慮可變作用，工程區(qū)地震烈度為Ⅵ，不考慮地震作用，管頂設計壓力只考慮永久作用，即上部填土產生的管道壓力。

管壁壓力按式（1）、（2）計算：

式中：FG為永久作用產生的每延米管壁壓力標準值，kN/m；kf為考慮結構起拱效應的土壓力增大系數(shù)，取1.25；W為拱上填土每延米的重量，kN/m；Cs為考慮回填土性質與結構尺寸的軸向剛度參數(shù)；Es為土體壓縮模量，MPa；E為波紋鋼材料的彈性模量，GPa；dv結構的豎向計算直徑，m；A為每延米波紋鋼截面面積，m2/m。

經計算，管壁壓力γG,G為584.13 kN。

3.2.2 最不利效應組合

承載能力極限狀態(tài)設計時應考慮多種作用效應的組合，并取最不利效應的組合進行設計。

式中：Ed為設計作用效應組合；γG、γQ、γE、分別為永久作用、可變作用、地震作用組合系數(shù)；G為永久作用；Q為可變作用；Eu為豎向地震作用。

管道實際運營階段無可變荷載，不考慮地震作用，所以只考慮永久作用，Ed=γG,G=584.13 kN。

3.2.3 極限承載狀態(tài)下的管道設計抗壓承載力

選用波形參數(shù)200 mm×55 mm，壁厚6 mm的鋼波紋管。波紋管截面積7.1 mm2/mm，慣性矩2766 mm4/mm，回轉半徑19.7 mm。

管道的設計抗壓承載力可按式（5）～（9）計算：

式中：Ru為波紋鋼結構設計抗壓承載力，MPa；I為每延米波紋鋼截面慣性矩，m4/m；r為波紋鋼結構的曲率半徑，m;re為等效半徑，m；k3為結構屈曲應力折減系數(shù)；fy為波紋鋼材料的屈服強度，235 MPa；k5為波紋鋼結構管壁與相鄰土體的相對剛度系數(shù)；i為波紋截面的回轉半徑，m；k6為從管頂至管側土體剛度變化系數(shù)；Esm為土體平均壓縮模量的修正值，MPa；H為結構填土高度，m；H˙為起拱線到拱頂之間豎直距離的一半，m；rt為結構拱頂處曲率半徑，m；k7為計算管壁相對剛度k5的系數(shù)。

經計算，波紋鋼結構設計抗壓承載力Ru為

174.15 MPa。

3.2.4 結構破壞驗算

當計算的管壁應力小于鋼波紋管設計抗壓承載力或波紋鋼材料的屈服強度的最小值的80%時，認為所選管道規(guī)格滿足設計要求。結構破壞驗算可根據(jù)式（10）進行：

式中：?c為抗壓承載力的材料抗力系數(shù)，取0.8；F為運營階段波紋鋼截面承受推力組合值，取組合值（γG,G,γQ,Q）、（γG,G,γE,Eu）的最大值，即F=γG,G=584.13 kN。

3.3 基礎沉降設計

本工程單根管線最長達2.16 km，工程區(qū)管道基礎為人工整平壓實溝道，雖然鋼波紋管適應變形能力強，但考慮到人工壓實溝道施工回填過程中存在壓實不均勻的問題，會導致管道產生不均勻沉降，引起管道變形，對管槽進行了一定處理。首先，對管道基礎進行處理，管溝開挖后，對管溝進行夯實處理，管道底部鋪設0.7 m 厚3∶7 灰土墊層，灰土分層夯實，壓實度不小于0.95，上鋪0.3 m的粗砂墊層，粒徑不大于12 mm，管槽采用開挖土回填。在鋼波紋管與蓄水池、消力池等大型混凝土構筑物連接部位、基礎地層巖性不一致部位、開挖回填分界線處設置了伸縮裝置。但是由于目前類似工程中使用伸縮裝置較少，缺乏對鋼波紋管伸縮裝置效果的使用研究，下一步將進一步研究不同伸縮裝置的防沉降性能。

3.4 防水設計

拼裝鋼波紋管防水主要是從管片安裝方式和采用密封材料控制。在以往鋼波紋管使用經驗中，拼裝鋼波紋管防水結構為搭接式防水結構（見圖1），其組裝形式為將兩片波紋板重疊在一起，使用螺栓將兩片板穿接在一起，在這個過程中，板片間的縫隙、穿透板片的通孔，以及螺栓與孔間的間隙，均為滲水漏水的可能出現(xiàn)點。這種連接方式中主要滲漏點為環(huán)向搭接縫處，出現(xiàn)滲漏主要原因為柔性地基在回填完成后的幾個月內出現(xiàn)不均勻沉降，造成部分位置搭接縫受拉伸作用，部分位置受擠壓，螺栓不再位于原有的位置，導致密封材料偏差，出現(xiàn)滲漏點。

圖1 搭接式防水結構

外翻邊法蘭工藝是法蘭與鋼波紋管板片為一個整體，法蘭高70 mm，板片通過螺栓緊固。采用這種連接方式，螺栓沒有穿透波紋板的內外壁，環(huán)向成為單一的線滲漏，沒有點滲漏的存在，即使擠壓或拉伸，也不會造成螺栓在孔內移動。本工程采用外翻邊法蘭工藝連接鋼波紋管，此外，在管節(jié)與管節(jié)之間、管箍與管節(jié)之間、法蘭盤之間以及搭接的鋼波紋鋼板件之間采取密封措施，接縫處設密封條，并涂密封膠，管道外壁設一道防水布，防水布采用金屬鋁箔自粘防水材料（見圖2）。

圖2 外翻邊法蘭工藝防水結構

3.5 轉角及連接設計

拼接鋼波紋管無預制管件，工程中遇到管徑變化、分岔等銜接段需要定制變徑管、三通等管片。工程設計中根據(jù)實際搭接后的單節(jié)有效長度設置轉彎半徑并將管道分為多段單節(jié)管道，再由螺栓將多個單節(jié)管道上法蘭片緊固后連接成整體，一般單節(jié)管道有效長度小于1.15 m。此外，為避免轉彎段水流沖擊管道使法蘭連接處受拉變形，可在轉彎段設置鎮(zhèn)墩，減少管道水平向位移。

4 結語

目前鋼波紋管在水利工程中應用較少，無行業(yè)設計規(guī)范，但鋼波紋管在實際工程中應用的優(yōu)勢將促進它在水利項目的應用和推廣。本文設計采用的鋼波紋管為大管徑、長距離、拼裝鋼波紋管首次在城市山洪治理中的應用，通過采用鋼波紋管，工程建設投資減少、工程周期縮短。鋼波紋管在本水利工程中的成功應用，可以為類似項目提供參考。