木拉提·斯依提汗

（新疆額河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

嚴(yán)寒沙漠地區(qū)倒虹吸伸縮節(jié)異常變位原因分析

木拉提·斯依提汗

（新疆額河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

文中結(jié)合北疆供水工程倒虹吸鋼管個(gè)別伸縮節(jié)的過大變位問題，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，探討在嚴(yán)寒地區(qū)引起鋼管道套管式伸縮節(jié)不良變位狀態(tài)的幾種原因及預(yù)防措施。觀測(cè)及分析結(jié)果表明，嚴(yán)寒地區(qū)引起倒虹吸伸縮節(jié)異常變位的最主要因素為環(huán)境溫差，兩側(cè)管壁日照射量的較大相差引起伸縮節(jié)相應(yīng)管道段的長(zhǎng)久撓曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致伸縮節(jié)的扭曲變位。

鋼管；套管式伸縮節(jié)；線膨脹；異常變位

1 工程概況

1.1 鋼管段

該倒虹吸管線長(zhǎng)10.6 km，進(jìn)、出口水位差28.48 m，管材采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道（簡(jiǎn)稱PCCP）與鋼管道組合方案，工作壓力小于1.4 MPa段為PCCP管道，采用單溝雙管的埋設(shè)方式。工作壓力大于1.4 MPa段為鋼管道。鋼管采用單溝雙管的明管布置方式，鋼管內(nèi)徑2.7 m，單線管長(zhǎng)3.18 km，自東北至西南走向（與南北方向呈35°夾角），沿線左右向無拐點(diǎn)，豎向設(shè)5個(gè)拐點(diǎn)，雙管中心間距為5 m。鋼管設(shè)計(jì)壓力等級(jí)為1.7 MPa，管壁厚度26 mm。支承環(huán)采用雙腹板，支撐系統(tǒng)采用滾動(dòng)式支座。鋼管段100 m設(shè)置一座鎮(zhèn)敦，每座鎮(zhèn)敦下游側(cè)緊靠鎮(zhèn)敦安裝一個(gè)套管式伸縮節(jié)，6 m設(shè)一座支墩，沿線共有2×32個(gè)鎮(zhèn)墩，2×381個(gè)支墩。

伸縮節(jié)選用設(shè)計(jì)壓力為1.7 MPa，伸縮量150 mm，角變位 α≤5°，徑向變位△≤50 mm，既滿足軸向伸縮位移、又能滿足一定的撓曲度和偏位量的臺(tái)灣地區(qū)引進(jìn)的雙法蘭套筒式伸縮節(jié)，其布置在每座鎮(zhèn)敦下游一側(cè)，沿線共有2×31個(gè)。

1.2 水文地質(zhì)情況

倒虹吸所處位置屬于具有典型沙漠氣候特征的北方嚴(yán)寒地區(qū)（最冷月平均氣溫低于-10℃），多年平均氣溫4.3℃，極端最高氣溫40.6℃，極端最低氣溫-41.7℃，白天氣溫高，夏季達(dá)40℃余度，晚間氣溫低，晝夜最大溫差大于30余度，年最大溫差82.3度；管線跨越第三系砂巖、泥巖及沙漠風(fēng)積砂兩種地層，地質(zhì)條件不均一，地基條件相對(duì)較差。

2 伸縮節(jié)狀態(tài)觀測(cè)

2.1 伸縮接運(yùn)行狀況

該倒虹吸鋼管段9+325樁號(hào)左、右管道伸縮節(jié)分別安裝左右及上下部位4支變位測(cè)縫計(jì)，能夠持續(xù)自動(dòng)化觀測(cè)該處左、右管道2個(gè)伸縮節(jié)變位狀態(tài)。倒虹吸正式投入運(yùn)行以來鋼管段沿線大部分伸縮節(jié)變位情況與9+325處伸縮節(jié)自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)基本相符。變位均屬于軸向伸縮，橫向變位幅度均較小，均在允許可撓度范圍之內(nèi)，工作狀態(tài)良好（橫向變位最大幅度1.5°，最大撓曲角度-2.11°）；但在倒虹吸運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)，鋼管段左、右側(cè)管線伸縮節(jié)工作狀態(tài)具有較大的不同特點(diǎn)，并鋼管段左側(cè)管線（東側(cè)管線）16號(hào)、26號(hào)、28號(hào)、29號(hào)鎮(zhèn)墩處伸縮節(jié)橫向變位異常加大，甚至呈現(xiàn)出扭動(dòng)變形，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，鋼管個(gè)別伸縮節(jié)異常變形更為突出，由此，管理單位自2008年起對(duì)這些伸縮節(jié)開始進(jìn)行人工觀測(cè)，到2009年5月底26號(hào)最大實(shí)測(cè)撓曲變形角度達(dá)到4.98°，基本接近5°的極限值。

2.2 伸縮節(jié)撓曲角度與時(shí)間關(guān)系

9+325 正常工作伸縮節(jié)與各異常變形伸縮節(jié)在一年時(shí)間內(nèi)的偏轉(zhuǎn)角度變化情況見圖1、圖2（正值表示伸縮節(jié)器體往管道右側(cè)偏轉(zhuǎn)，負(fù)值表示往左側(cè)偏轉(zhuǎn)）。

圖1 左、右管線變位正常伸縮節(jié)撓曲角度與時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 變位異常伸縮節(jié)撓曲角度與時(shí)間關(guān)系曲線

2.3 左、右管道一年內(nèi)的管壁應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系

鋼管段沿線9+295處管道左、右及上、下管壁分別安裝觀測(cè)管段縱向、環(huán)向應(yīng)力的各4支共16支鋼板應(yīng)力應(yīng)變計(jì)，其中，左右兩條管線軸向應(yīng)力觀測(cè)值在一年時(shí)間內(nèi)的變化情況見圖3、圖4。

圖3 左（東）管線軸向應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線

3 不同伸縮節(jié)外觀狀態(tài)、撓曲變位及管道管壁應(yīng)力變化特點(diǎn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)的變位特點(diǎn)

1）變位異常的伸縮節(jié)均處于東側(cè)（左側(cè)）管線。

2）伸縮節(jié)變形均呈現(xiàn)出往右偏轉(zhuǎn)，上、下變位肉眼無法察覺。

圖4 右（西）側(cè)管線軸向應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線

3）變位異常伸縮節(jié)所處管道段的每段管道支輪移動(dòng)痕跡表明，每節(jié)管段往西擺動(dòng)，自下游的固定鎮(zhèn)敦起，每節(jié)管子離伸縮節(jié)越近往西擺動(dòng)幅度越大。

3.2 一年內(nèi)伸縮節(jié)撓曲變形觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律

以上曲線變化情況來看：

1）運(yùn)行正常伸縮接觀測(cè)數(shù)據(jù)表明（圖2）：右（西）側(cè)管道伸縮節(jié)撓曲角度隨季節(jié)的變化不大，變位均屬于軸向伸縮，橫向變位幅度較小。左（東）側(cè)管道伸縮節(jié)軸向、橫向變位隨季節(jié)的變化較大，其撓曲角度最大變化幅度達(dá)到1.5°。

2）16號(hào)、26號(hào)、28號(hào)、29號(hào)鎮(zhèn)墩處異常變位伸縮節(jié)的觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示（圖3）：軸向、橫向變位隨季節(jié)的變化較大，其撓曲角度最大變化幅度達(dá)到3°。

3）分析表明：伸縮節(jié)撓曲角一年內(nèi)周期性變化規(guī)律與倒虹吸所處環(huán)境溫度的年度變化規(guī)律基本相似、軌跡同步、隨著溫度升高撓曲角度逐步加大，隨著溫度下降逐步復(fù)位，但到每年的5月初至9月中旬的倒虹吸通水期間，伸縮節(jié)撓曲變位趨于穩(wěn)定。

3.3 左、右管道一年內(nèi)的管壁應(yīng)力變化規(guī)律

1）左、右管道一年內(nèi)的管壁軸向應(yīng)力變化規(guī)律也與倒虹吸所處環(huán)境溫度的年度變化規(guī)律基本相似、軌跡同步，隨著溫度升高管壁軸向應(yīng)力逐步加大，隨著溫度下降逐步減少，但到每年的5月初至9月中旬的倒虹吸通水期間，管道一年內(nèi)的管壁軸向應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

2）圖3顯示，左側(cè)管道左壁應(yīng)力一年內(nèi)的變化幅度相比，左、右兩條管道其余方位部位的應(yīng)力變化幅度明顯偏高。

4 伸縮節(jié)異常變位原因分析

4.1 左右管道伸縮節(jié)變位具有不同特點(diǎn)的原因

現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的以上表現(xiàn)、伸縮節(jié)撓曲變形數(shù)據(jù)分析及應(yīng)力分析結(jié)果表明：引起伸縮節(jié)變位的最主要因素為季節(jié)性及晝夜溫差過大的環(huán)境溫度，由于管道走向?yàn)樽詵|北至西南走向（與南北方向呈35度夾角），引起了管道左右管壁日照射量不同，其中左（東側(cè)）管線東壁日照時(shí)間最長(zhǎng)，這導(dǎo)致左管線東側(cè)熱膨脹量遠(yuǎn)大于西側(cè)管壁，而引起鋼管自由端往西彎曲變位，導(dǎo)致伸縮節(jié)的撓曲偏轉(zhuǎn)。由于兩條管線間距較近，在東側(cè)管線起到的遮陽(yáng)作用下，西側(cè)管線的東西兩側(cè)管壁日照射量相差減少，左右熱膨脹量相當(dāng)，致使相應(yīng)伸縮節(jié)橫向變?yōu)椴幻黠@。

4.2 個(gè)別伸縮節(jié)異常變位原因

由于鋼管段直線布置，所有伸縮節(jié)型號(hào)、方位、安裝形式及所處環(huán)境條件一致，由此，所有伸縮節(jié)應(yīng)同樣受到環(huán)境溫度的影響，一年內(nèi)以周期性地軸向變位的同時(shí)，也在左右變位。那其中個(gè)別伸縮節(jié)為什么出現(xiàn)較大的異常變形，并無法復(fù)位呢？根據(jù)以上正常伸縮節(jié)和異常變位伸縮節(jié)的觀測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，分析和現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的異常伸縮節(jié)變形特點(diǎn)來看，其最主要原因可能為：

1）安裝期間管道段的安裝超差可能由相應(yīng)的出現(xiàn)異常變位的這幾個(gè)伸縮節(jié)來抵消。

2）該伸縮節(jié)相應(yīng)管段支墩輕微的不均勻沉降引起伸縮節(jié)變?yōu)榧哟?，同時(shí)增加復(fù)位難度。

3）相應(yīng)管段支墩頂部滾輪支撐墊座平整度不同，而引起管段冷縮復(fù)位困難，致使伸縮節(jié)異常變位逐年擴(kuò)大。

5 伸縮節(jié)異常變位的預(yù)防措施

5.1 設(shè)計(jì)措施

1）由于管線布置方向，處于季節(jié)性及晝夜溫差極大環(huán)境中的管道，兩側(cè)日照射量不同，則引起管壁兩側(cè)熱脹冷縮不同，管段彎曲，導(dǎo)致伸縮節(jié)的撓曲偏轉(zhuǎn)。由此有條件時(shí)，布置方向盡量考慮到兩側(cè)日照射量相差問題或管壁日照射時(shí)間長(zhǎng)的一側(cè)設(shè)置隔熱保溫材料。

2）管道設(shè)計(jì)中可利用管道自身的彎曲或扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的變位，來達(dá)到熱脹或冷縮時(shí)的自補(bǔ)償。

3）管道軸線設(shè)計(jì)應(yīng)考慮彎曲變形的因素，根據(jù)管段總彎曲幅度應(yīng)往變位反方向放出傾角。

5.2 安裝措施

1）嚴(yán)禁用伸縮節(jié)來調(diào)整管道的安裝超差，以免影響伸縮節(jié)的正常功能、降低使用壽命及增加管系、設(shè)備、支承構(gòu)件的載荷。

2）確保鎮(zhèn)、支敦、支座金結(jié)構(gòu)的施工、安裝質(zhì)量。

3）鋼管安裝中盡量避開高溫天氣、時(shí)段。

5.3 運(yùn)行措施

該管道工程伸縮節(jié)撓曲變位和管道應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線表明：到每年的5月初至9月中旬的倒虹吸通水期間，管內(nèi)存水降低鋼管左右管壁溫差，致使管道一年內(nèi)的管壁軸向應(yīng)變趨于穩(wěn)定，伸縮節(jié)撓曲變位減緩，由此，可采取管道早運(yùn)行，高溫季節(jié)備用管線保證館內(nèi)存水或隔熱保溫等運(yùn)行措施。

6 結(jié)論

季節(jié)溫差和晝夜溫差過大的北方沙漠地區(qū)，引起伸縮節(jié)異常變位的最主要因素為環(huán)境溫度，其中環(huán)境溫度的季節(jié)性及晝夜內(nèi)的大幅度周期性變化，引起伸縮節(jié)的大幅度震蕩變位，而兩側(cè)管壁日照射量的較大相差，引起伸縮節(jié)相應(yīng)管道段的長(zhǎng)久撓曲變形，進(jìn)而引起伸縮節(jié)的扭曲變位。在嚴(yán)寒地區(qū)修建的倒虹吸管道工程中，為避免或減少工程投入運(yùn)行后伸縮節(jié)的異常變位問題，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中采取一些布置方向、材料應(yīng)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的防范措施，在施工安裝過程中要嚴(yán)格把關(guān)鎮(zhèn)支墩、伸縮節(jié)安裝施工質(zhì)量，管道及伸縮節(jié)安裝嚴(yán)格避開極端氣溫時(shí)段。運(yùn)行期高溫季節(jié)備用管線采取館內(nèi)存水或隔熱保溫等運(yùn)行措施。

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