(唐山市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，河北 唐山　063000)

1　工程概況

豐南區(qū)城區(qū)至豐南經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)臨港經(jīng)濟(jì)園中水引水工程主要為臨港經(jīng)濟(jì)園各企業(yè)提供生產(chǎn)用水，保證企業(yè)的用水安全，建設(shè)規(guī)模為12萬m3/d，管道單排鋪設(shè)，長度為41.1km，采用DN1200球墨鑄鐵管，工作壓力為0.8MPa。

該工程主管材采用T型接口球墨鑄鐵管，長距離輸水管道的平面及豎向轉(zhuǎn)角均較多，管道內(nèi)有壓水流對彎頭處產(chǎn)生的較大推力造成管道接口處松動、脫落等嚴(yán)重后果。因此，在彎頭處需要采用一定的工程措施以保證管道的安全運(yùn)行。

2　推力約束設(shè)計

對于深埋地下的管道，推力約束的實(shí)現(xiàn)方式是把推力分散傳遞到管道外的土體中，既要保證推力分散到土壤體系中，又要保證約束措施安全無損壞，管道的T型接口不發(fā)生分離。在設(shè)計中常用的約束形式如下：

a.在彎頭處設(shè)置支墩。

b.在彎頭前、后一定距離將管道更換為鋼管。

c.在彎頭前、后一定距離將管道接口形式更換為自錨接口。

2.1　支墩約束設(shè)計

支墩是重要的管道附屬構(gòu)筑物，支墩處所受約束力其一為支墩底面與土壤的摩擦力，其二為彎頭兩邊的管道與土體之間的被動土壓力。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，先選取支墩的結(jié)構(gòu)型式及尺寸，再根據(jù)管道設(shè)計壓力、地下水情況、土壤等效內(nèi)摩擦角等參數(shù)對支墩進(jìn)行推力穩(wěn)定驗(yàn)算，滿足條件即可。具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖1～圖3。支墩材料選用C15混凝土。

圖1　水平支墩結(jié)構(gòu)尺寸 (單位：mm)

圖2　垂直向上彎頭支墩結(jié)構(gòu)尺寸 (單位：mm)

圖3　垂直向下彎頭支墩結(jié)構(gòu)尺寸 (單位：mm)

在地基承載力滿足條件的情況下，支墩的設(shè)置可以很好地將水流變化產(chǎn)生的推力傳遞至土壤中，使運(yùn)行安全可靠。但設(shè)置支墩需要較大的工作面，土方工程量增大，支墩混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)均需要時間，不適用工期緊張的工程。

2.2　更換鋼管

將彎頭處球墨鑄鐵管局部更換為鋼管，鋼管采用焊接的連接方式，這樣就使彎頭局部鋼管形成一個連續(xù)體，避免了接口損壞的發(fā)生。根據(jù)管道轉(zhuǎn)彎角度，彎頭一側(cè)需改換鋼管的最小長度可按《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》計算，結(jié)果見表1。

表1　彎頭處鋼管最短鋪設(shè)長度

彎頭局部更換鋼管不增加占地面積，彎頭管件的角度易加工，施工便利，適應(yīng)性強(qiáng)，對工期有利。鋼管抗腐蝕性能較差，需做內(nèi)外防腐。此次設(shè)計中采用DN1200 TPEP鋼管。

2.3　自錨接口

自錨接口是能夠提供軸向約束的特殊滑入式接口，通過自錨接口使管道連接成一個相對獨(dú)立的系統(tǒng)，利用系統(tǒng)與土壤之間的阻力來抵消管道內(nèi)液體產(chǎn)生的推力，以保證管道運(yùn)行過程中接口不發(fā)生分離。

球墨鑄鐵管自錨接口適用于彎頭處沒有條件設(shè)置支墩或者工期緊張的工程。在此次引水工程中采用內(nèi)自錨接口，該接口形式在管道承口端設(shè)置密封腔和擋塊倉兩個環(huán)形腔，密封腔安裝密封膠圈，擋塊倉安裝自錨擋塊，在插口端設(shè)置焊環(huán)，利用自錨擋塊與焊環(huán)進(jìn)行推力傳遞。接口安裝簡便，同時又提高了管道的抗拔脫性能。管道可以通過接口處的偏移角實(shí)現(xiàn)角度借轉(zhuǎn)，對地基變形的適應(yīng)性好。

取自錨系統(tǒng)作為研究對象，對其受力進(jìn)行分析。該系統(tǒng)受到的主動力為管道過水截面上受到的設(shè)計壓力的合力，在管道安裝剛結(jié)束時，管道與土壤配合的穩(wěn)定性是最差的，此時進(jìn)行打壓試驗(yàn)的壓力即為設(shè)計壓力。水平及豎直向上彎頭的約束力由兩部分組成，其一為管道外壁與土壤的摩擦力，其二為管道與土體之間的被動土壓力；豎直向下彎頭的約束力為管道外壁與土壤的摩擦力。

根據(jù)管道轉(zhuǎn)彎角度，彎頭兩端自錨管最短鋪設(shè)長度計算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表2　水平及豎直彎頭處自錨管最短鋪設(shè)長度

2.4　三種約束方式造價對比

以上三種推力約束形式在管道輸水工程中均有過應(yīng)用，實(shí)踐表明都是安全可行的。在進(jìn)行方案選擇之前，對三種約束方式的工程造價進(jìn)行對比,具體見表3。

表3　三種約束方式的工程造價對比

2.5　方案選擇

通過工程造價比較可知，彎頭角度越大，工程造價越高，尤其是大于45°的彎頭單個工程造價均高于30萬元。

此次工程中平面彎頭角度多數(shù)在45°以上，對工程方案的經(jīng)濟(jì)性有重要影響，因此選擇造價最低的混凝土支墩。而豎向彎頭的角度均小于45°，為保證工期，此次工程中豎向彎頭不采用混凝土支墩。對TPEP鋼管與自錨接口球墨鑄鐵管進(jìn)行比較，考慮到管材的一致性對管材采購及后期輸水運(yùn)行管理較為有利，因此豎向彎頭采用自錨接口的球墨鑄鐵管。

通過分析比選，最終方案為平面彎頭采用混凝土支墩，豎向彎頭采用自錨接口的球墨鑄鐵管，該方案有效結(jié)合了兩種約束的優(yōu)點(diǎn)，既加快了施工進(jìn)度，又降低了工程造價。

3　結(jié)　語

引水管道彎頭處的推力約束設(shè)計是引水工程設(shè)計中至關(guān)重要的問題。本文通過對三種推力約束形式的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，最終采用了自錨接口球墨鑄鐵管與混凝土支墩相結(jié)合的設(shè)計方案，有效解決了工程工期要求緊與方案經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾。目前工程已經(jīng)在緊張的施工中，建成后必將為用水企業(yè)提供供水保障，有力促進(jìn)園區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速增長。

[1]溫曉英,程子悅,馮樹健.大口徑輸水管道的止推設(shè)計[J].中國給水排水,2012(4):1-5.

[2]黃謙,郭清平.給水管道水平支墩受力分析探討[J].特種結(jié)構(gòu),2010(4):125-127.