蒙世仟，朱新民，崔 煒，樓胤志

（1.廣西水利電力勘測設計研究院，廣西 南寧 530023；2.中國水利水電科學研究院，北京 100038）

1 研究背景

廣西桂西北治旱百色水庫灌區(qū)工程是國務院確定的172項節(jié)水供水重大水利工程之一，開發(fā)任務為灌溉為主、兼顧城鄉(xiāng)生活生產供水，是我國在丘陵地區(qū)建設的大型現代化節(jié)水灌區(qū)。工程灌溉面積59.2萬畝，主要建設內容包括5條總長137.74 km的干管和76條總長201.03 km的支管。灌區(qū)骨干工程分為2個部分，即百色水庫引水部分和右江提水部分。百色水庫引水灌溉39.2萬畝，引水流量6.6 m3/s，泵站提水灌溉面積20.0萬畝，提水流量4.56 m3/s，揚程80～90 m。干管最大內徑2.8 m，內水壓力等級1.6 MPa。骨干工程可概括為：一座取水口、兩座河道提水泵站、五條干管、五條隧洞、五座調壓井、七座一級提水泵站、76個分水口、141個高位水池。水工建筑物數量多，輸水管道系統(tǒng)長度大，運行壓力高，水力過渡過程復雜。

輸水干線管道工程區(qū)大部位于右江河谷盆地，盆地內地貌主要為右江河谷階地，局部由于構造隆起為剝蝕堆積丘陵。盆地外圍被剝蝕堆積丘陵、侵蝕剝蝕低山地貌所包圍。工程區(qū)內多為沉積巖，出露地層有石炭系、二疊系、三疊系、下第三系及第四系地層，侵入巖主要為印支期深灰綠色輝綠巖。灌區(qū)內特殊性巖土主要為下第三系膨脹土，不良地質現象為采空區(qū)、崩塌等。區(qū)域性斷裂為右江斷裂，從工程區(qū)北部穿過。右江斷裂是一條活動的走向滑移斷裂，位移速率建議值為：水平位移速率為每年1.98 mm，垂直位移速率為每年0.2 mm［1］。

灌區(qū)地下水劃分為第四系孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖巖溶水，沿線地下水對混凝土一般具有弱～中等腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋腐蝕程度為弱～中等腐蝕性，對鋼結構腐蝕性程度為弱～中等腐蝕性。

本工程管道總長度大，累計超過300 km，沿線跨越活動斷裂帶，地下水具有腐蝕性。因為每個管道設計斷面可能影響數公里甚至數十公里長度的管線，管道設計需謹慎對待，如果考慮不周，會給工程運行安全留下隱患。為了充分保障管道運行安全，本文針對工程條件進行了管道選型分析，給出了分段選型建議；研究了PCCP各組分的應力狀況，評估了結構承載能力，提出了改進砂漿層和防腐的建議；對管道穿越斷裂帶和不均勻沉降區(qū)的應對措施進行了探討。

2 管道選型分析

大量運用于輸水工程的管材有：混凝土管類，包括預應力鋼筋混凝土管（PCP）和預應力鋼筒混凝土管（PCCP）；玻璃鋼管類，包括定長玻璃鋼夾砂管（FRPM）、離心澆鑄玻璃鋼管和連續(xù)纏繞玻璃鋼管（CWFP）；鑄鐵管類，包括灰口鑄鐵管（GIP）和球墨鑄鐵管（DIP）；鋼管類（SP），包括直縫焊接鋼管和螺旋焊接鋼管；塑料管類，包括硬質聚氯乙烯（UPVC）管、聚乙烯（PE）管等。目前，國內外在長距離、大流量的大型輸水工程中，常用大口徑管道（DN1200 mm以上）管材主要有PCCP、PCP、FRPM、CWFP、DIP和 SP［2-4］。

從過流能力來講，CWFP、FRPM的內壁糙率系數最小，約為0.009。PCCP、PCP及內部涂刷防腐涂層的SP和DIP，內壁糙率系數較大，范圍為0.011～0.014。

SP的壽命主要取決于其防腐標準及質量，在弱～中等腐蝕性水土環(huán)境下，通常采用環(huán)氧煤瀝青涂層并預留蝕余厚度的防腐方式，壽命勉強能夠到30年。DIP的壽命也與防腐處理有關，普遍能夠達到30年。CWFP和FRPM耐腐蝕，但存在老化問題，埋地管道壽命能夠達到50年，但是，根據實際應用經驗，這種管道制作質量容易失控，需加強監(jiān)造。從現有國外實例來看，PCCP壽命能夠保證50年。

管道的價格差異較大，除了管材本體費用之外，還要考慮施工、防腐、監(jiān)測等費用。SP的防腐涂層、陰極保護、防腐監(jiān)測的費用較高，施工期電費、降排水費用也會占有一定的比例?；炷令惞艿雷灾卮螅谇鹆甑貐^(qū)要充分考慮其運輸費用和軟弱地基的處理費用，在坡度大的地段安裝，結構要作特殊處理，運輸費和吊裝費較大。CWFP、FRPM的回填材料需要制備，這部分費用較高。根據國內應用SP、DIP、CWFP和PCCP等4種常用管材，單位長度的工程造價變化趨勢見圖1［2］。綜合比較顯示，口徑為DN1600 mm時，SP、DIP、CWFP的綜合造價大致相近。PCCP價格最低，口徑越大價格優(yōu)勢越大，費用可降30%～40%。

圖1 不同管材單位長度埋管的工程造價變化趨勢

在長距離輸水工程中，管材所占引水項目投資額主要部分（50%～70%），因此，合理選擇管道材質尤為重要。上述六種管材的性能綜合比較見表1。根據百色水庫灌區(qū)工程的建設和運行條件，對所述管材綜合性能比較項目按照“最好、好、較好、較差、差、最差”進行6個等級的評分，對應分值分別為5-0分，以DN2400 mm管道為例，對表1的管材綜合性能進行評分。評分結果顯示，PCCP和CWFP管的分值最高。因此，推薦百色灌區(qū)工程常規(guī)地段，管徑DN2800 mm～DN1800 mm首選PCCP，管徑DN1600 mm～DN100 mm首選DIP，CWFP作為備選；對特殊地段中的電化學腐蝕段，首選CWFP，DIP作為備選；當管線穿越復雜地形和障礙建筑物時，首選螺旋焊接SP，直縫焊接SP作為備選。

表1 管材綜合性能比較表（以DN2400mm為例）

3 PCCP管道復合結構受力研究

3.1 計算模型PCCP由持力結構、防滲體、防腐層組成，各組份的力學狀態(tài)差異明顯，結構受力機理復雜，是結構計算中的難點［5-7］。本工程采用埋置式預應力鋼筒混凝土管，管道組成見圖2。

圖2 埋置式PCCP結構示意圖

本文的研究對象為管徑最大（2800 mm）、工作壓力最高（1.6 MPa）、覆土厚度最大（4 m）的管段，管道結構具體參數見表2。采用非線性有限元力學仿真方法研究管道結構的力學狀況，計算程序為ABAQUS［8］。

表2 PCCP結構設計參數

材料強度、彈性模量主要參考規(guī)范［9-10］取值，均取標準值。管芯混凝土強度等級為C50，砂漿保護層強度等級為MU45，混凝土、砂漿層采用混凝土損傷塑性模型，考慮脆性材料的拉伸和壓縮破壞機制。鋼筒、鋼絲定義為彈塑性材料，屈服準則為MISES準則。鋼絲為雙層，模型按實際情況分兩層螺旋纏繞，見圖3，據此所建的整體模型較為復雜，整體模型見圖4。分析模擬了管道制造、回填、正常工作壓力運行、發(fā)生水錘等工況，共分為6個計算步：（1）混凝土管芯就位，內層鋼絲纏繞并施加預應力，預應力值取0.7倍的抗拉強度；（2）添加覆蓋內層鋼絲的砂漿層，外層鋼絲纏繞并施加預應力，預應力值與內層鋼絲相同；（3）外層砂漿施加；（4）PCCP外側土回填，施加外部土、水壓力；（5）正常工作壓力運行，壓力1.6 MPa；（6）發(fā)生水錘，壓力值取1.4倍的工作壓力。本文模型中鋼絲按實際尺寸和間距模擬鋼絲螺旋纏繞，計算步中分層、分次張拉，均是非常精細的，以往的文獻未見報導。此項工作的意義在于精細的模擬比簡化模擬更貼近實際。

圖3 兩層鋼絲螺旋纏繞細部

圖4 整體模型和網格

3.2 變形狀況在制造期，PCCP管芯受鋼絲預應力作用而產生內縮，位移量約1 mm。在施工回填時，管道在豎向被壓扁，管道頂、底相對位移約1 mm，管側向外變形約0.4 mm。在正常工作內壓作用下，管道向外膨脹變形約0.4～0.6 mm。發(fā)生水錘時，再向外膨脹變形約0.2 mm。

3.3 持力結構的應力鋼絲張拉纏繞期應力為1100 MPa，因鋼絲為分兩層張拉纏繞，外層鋼絲張拉纏繞時，內層鋼絲會略微回縮，預應力損失約50 MPa。PCCP在正常工作內壓下，鋼絲拉應力升高約50 MPa，發(fā)生水錘時，拉應力進一步升高約20 MPa，內層鋼絲拉應力升高至1112 MPa（見圖5），外層鋼絲升高至1175 MPa。鋼絲應力滿足強度要求。鋼絲應力全過程曲線見圖6。

在管道制造期，混凝土管芯以環(huán)向受壓為主，壓應力約16～20 MPa，內表面壓應力大于外表面。管道回填施工對管芯的應力改變較小，壓應力值變化約1～2 MPa。在正常工作內壓作用下，管芯混凝土的環(huán)向壓應力減少約8 MPa。發(fā)生水錘時，壓應力進一步減少約3 MPa，管芯內側壓應力減小至11 MPa、外側減小至5 MPa，見圖7。管芯內壁應力全過程曲線見圖8。

圖5 水錘工況內層鋼絲應力（單位：Pa）

圖6 鋼絲應力全過程曲線（單位：Pa）

3.4 防滲結構應力在管道制造期，鋼筒隨混凝土管芯內縮、沿環(huán)向受壓，壓應力值約110 MPa～120 MPa。管道回填施工造成鋼筒的應力改變較小，變化值約5 MPa。在正常工作內壓作用下，鋼筒壓應力減少約50 MPa，發(fā)生水錘時，壓應力進一步減少約20 MPa，減少至40 MPa。鋼筒應力遠小于設計強度值，安全裕度較高。

3.5 保護層力學狀況覆蓋內層鋼絲的砂漿層在制造、管道回填、正常工作工況，均處在環(huán)向受壓狀態(tài)。在管道回填時，覆蓋外層鋼絲的砂漿側壁出1～2 MPa的拉應力。正常工作內壓作用下，砂漿外層拉應力值超過2 MPa；發(fā)生水錘時，砂漿層全部處在拉應力狀態(tài)，最大拉應力值約2.5 MPa，見圖9，將導致保護層砂漿開裂。砂漿層開裂在PCCP實際應用中是常見現象，這是由PCCP的構造特征決定的：砂漿層無預壓應力，管道充水時立即處在受拉狀態(tài)。常規(guī)砂漿的抗拉能力遠小于抗壓能力，強度標準越高，彈性模量越高，用作PCCP保護層時，在內水壓力作用下的拉應力水平越高，越容易開裂。因此，在滿足強度等級要求的前提下，應優(yōu)先采用低彈性模量的砂漿層。此外，因管道沿線地下水對混凝土和鋼材具有腐蝕性，為了防止PCCP鋼絲、鋼筒、砂漿保護層的腐蝕破壞，PCCP擬采取表面涂層與陰極保護相配合的防腐措施［11］。PCCP砂漿保護層外表面防腐涂層擬采用黑色無溶劑環(huán)氧煤瀝青防腐涂料，厚度600 μm，涂層道數1道。

圖7 水錘工況管芯應力矢量（單位：Pa）

圖8 管芯內壁應力全過程曲線（單位：Pa）

圖9 水錘工況砂漿層應力（單位：Pa）

4 管道穿越斷裂帶和不均勻沉降區(qū)的應對措施

本工程大直徑管道采用PCCP和DIP，均為埋地剛性管道，管節(jié)之間采用承插口連接，抗變形能力弱。對處于右江斷裂帶區(qū)域的管道，使用年限內可能出現10 cm水平錯動位移，需采取可靠的管道連接措施，避免管道出現滲漏破壞。

大型管道釋放管道錯動位移常用的接頭方式有承插口接頭、伸縮節(jié)法蘭連接、卡箍接頭［12］?？ü拷宇^形式之一的撓性卡箍接頭在連接管端設置溝槽，通過卡箍殼體、密封止水、環(huán)向緊固螺栓、表面油脂涂層等配件和配料實現連接和封閉，是一種安全可靠、簡便易行的管配方式。幾種常用接頭的性能對比見表3，從對大變形的適應能力、方便施工和運行期維護等幾個方面來看，卡箍撓性接頭的性能均是優(yōu)越的，其抗偏轉能力可確保埋地管道具有良好的抗折變形能力。因此，將卡箍撓性接頭作為管道穿越右江斷裂帶和不均勻沉降區(qū)的抗斷、防漏措施。

理論分析表明，撓性卡箍接頭間距越小，管線適應地層變形的能力越強。但是，布設密集的接頭會增加工程的造價。目前，右江斷裂具體地質構造與管線的交叉部位尚不能明確，有必要根據未來管線溝槽開挖揭露的地質情況確定接頭的布設位置。根據右江斷裂水平位移速率，暫定沿該段管線長度方向間隔500 m布置一對撓性卡箍接頭，以增加管道間變形協(xié)調能力，減小特殊地段管道破壞風險。降低后期運行維護費用。跨右江斷裂帶的DIP采用自錨固約束接口，接口具有可約束的柔性，能夠滿足抗拔脫和偏轉要求，不必再做特殊處理，可解決水平錯動問題。

表3 幾種管道接頭的性能對比

5 結論

（1）百色水庫灌區(qū)工程大直徑管道選型，采用綜合性能評分法進行比較后決定，常規(guī)地段管徑DN2800 mm～DN1800 mm首選PCCP，管徑DN1600 mm～DN100 mm首選DIP，CWFP作為備選；對特殊地段中的電化學腐蝕段，首選CWFP，DIP作為備選；當管線穿越障礙建筑物時，首選螺旋焊接SP，直縫焊接SP作為備選。

（2）在PCCP制造期、回填、運行過程，管芯混凝土、鋼筒均處在壓應力狀態(tài)，預應力鋼絲處在拉應力狀態(tài)，應力均低于材料強度，且有一定安全裕度。鋼絲最大拉應力與強度設計值之比為0.75，混凝土管芯最大壓應力與強度設計值之比為0.87，結構承載力滿足安全要求。

（3）PCCP管道復合結構受力研究模型，首次按實際尺寸和間距模擬了鋼絲螺旋纏繞，分層、分次張拉的過程。（說明：按實際尺寸和間距模擬鋼絲螺旋纏繞，分層、分次張拉計算，需要十分細致的建模和分析。這一條在前人公開發(fā)表成果中沒有發(fā)現，本文是首次這樣做的。）成果給出了管材各組份在制作、回填、正常內壓、水錘過程中的應力、變形變化規(guī)律。

（4）現有PCCP構造方案的保護層砂漿在水錘工況會開裂。在腐蝕性水土環(huán)境下，砂漿層裂縫容易引發(fā)預應力鋼絲應力腐蝕和斷裂。砂漿層開裂在PCCP實際應用中是常見現象，這是由PCCP的構造特征決定的。為解決此類問題，提出在滿足強度等級要求的前提下，PCCP應優(yōu)先采用低彈性模量的砂漿層，增加砂漿的變形適應能力，降低其拉應力。砂漿保護層外表面擬采用黑色無溶劑環(huán)氧煤瀝青防腐涂層，與陰極保護措施相配合，達到防腐和延長管道壽命的目的。

（5）本灌區(qū)大口徑管道所穿越的右江地質斷裂帶是一條活動斷裂，變形逐年累積。為了避免管道錯斷，經分析提出PCCP沿線間隔布置撓性卡箍接頭，增加管道間變形協(xié)調能力，減小特殊地段管道破壞風險，降低后期運行維護費用。