三個(gè)泉倒虹吸伸縮節(jié)變形分析

馬 芳 趙多明

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

新疆北疆供水工程總長513.34km，工程穿越荒漠、沙漠、綠洲平原極大的凹槽區(qū)域。供水工程全線穿最大的凹槽區(qū)域三個(gè)泉吉拉溝地槽段，吉拉溝地槽位于第三系砂巖泥巖地層的荒漠段與古爾班通古特沙漠的分界處，槽寬約12km，溝深約160m。穿越這個(gè)凹槽區(qū)域采用倒虹吸方案與兩側(cè)引水明渠連接，稱為三個(gè)泉倒虹吸。

三個(gè)泉倒虹吸工程全長10.927km(管線長10.566km)，最大靜水壓力為1.6MPa，允許的總水頭損失為28.60m。管道采用PCCP與鋼管的組合方案，設(shè)置倒虹吸管兩根，即1.4MPa以下（包括1.4MPa）采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管，單線管長為7386.27m，內(nèi)徑為2.8m。1.4MPa以上采用鋼管，單線管長為3181m，內(nèi)徑為2.7m。雙管設(shè)計(jì)流量30.5m3/s，加大流量35m3/s。

2 伸縮節(jié)設(shè)計(jì)原則

三個(gè)泉倒虹吸壓力鋼管直徑較大，工作壓力高，鎮(zhèn)支墩地基條件較差（處于巖石段和沙漠段交匯處，地基不均一，且地基承載能力低），年溫差和晝夜溫差很大，為滿足工程需要，伸縮節(jié)設(shè)計(jì)基本原則如下：

（1）要有足夠的軸向伸縮量，計(jì)算最大軸向伸縮量為96mm，設(shè)計(jì)最大伸縮量為150mm；

（2）為適應(yīng)鋼管橫向變位和鎮(zhèn)支墩不均勻沉降，要允許有角變位不超過5°的撓曲度，要允許有不超50mm的徑向變位；

（3）要有良好的防漏措施；

（4）要便于安裝和拆換；

（5）要伸縮靈活和耐磨。

3 伸縮節(jié)形式

在三個(gè)泉倒虹吸鋼管段設(shè)有32×2套伸縮節(jié)，伸縮節(jié)有5°可繞角，為雙伸縮結(jié)構(gòu)。按照本工程對(duì)伸縮節(jié)的要求，調(diào)查了國內(nèi)外多種伸縮節(jié)的運(yùn)用情況，最終選定了可撓式伸縮節(jié)，也稱為雙法蘭套筒式伸縮節(jié)。

伸縮節(jié)為上下游對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，外套管為一件，其余均為上下游各一件。伸縮節(jié)包括以下部件：連接短管、內(nèi)套管、外套管、C型密封止水膠圈、止水擋環(huán)、O型止水膠圈、膠圈固定法蘭、限位螺桿。這種伸縮節(jié)的特點(diǎn)在于止水圈尺寸較小，內(nèi)外套管之間基本上與周圍線接觸，且為雙套筒，所以能適應(yīng)角變位和徑向變位的要求。在這些變位中，止水仍能正常工作。而一般的套筒式伸縮節(jié)，其止水盤根較長，盤根與內(nèi)外套管之間為面接觸，盤根壓圈剛度又很大，所以，即使是雙向套筒式伸縮節(jié)也難以適應(yīng)角度位和徑向變位。經(jīng)工程實(shí)踐證實(shí)，三個(gè)泉倒虹吸明管采用這種新型的可撓式伸縮節(jié)是適宜的。止水環(huán)節(jié)過多，是這種伸縮節(jié)的一個(gè)缺點(diǎn)，C型止水效果較好，而四對(duì)法蘭上的O型止水效果有待實(shí)踐檢驗(yàn)和改進(jìn)。

4 變形分析

表1 三個(gè)泉倒虹吸伸縮節(jié)偏轉(zhuǎn)角統(tǒng)計(jì)表

自2006年正式通水運(yùn)行以來，隨著通水時(shí)間的累計(jì)，2009年發(fā)現(xiàn)三個(gè)泉倒虹吸 2# 管線鋼管段 16#、22#、26#、27#、28#、29#、30#鎮(zhèn)墩處伸縮節(jié)變位異常，其中16#、26#、28#和 29#鎮(zhèn)墩處的伸縮節(jié)扭動(dòng)變形較大，26#和29#鎮(zhèn)墩處的伸縮節(jié)變形最為嚴(yán)重，基本已接近設(shè)計(jì)單向極限偏轉(zhuǎn)角（5°），觀測(cè)數(shù)據(jù)詳見表1。一般情況下，左右向偏轉(zhuǎn)角度較大。從現(xiàn)場檢查，變形較大的伸縮節(jié)已被擋環(huán)擠壓，伸縮節(jié)變形受左右側(cè)擋環(huán)的限制，變形較大的伸縮節(jié)幾乎已無變形空間。

根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場分析，伸縮節(jié)發(fā)生較大變形主要是管身發(fā)生左右方向的撓曲變形和偏向位移，豎直方向的變形不大。引起管身發(fā)生變形的原因主要有以下幾點(diǎn)。

4.1 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度引起管道左右側(cè)管身溫度分布不均勻，管身一側(cè)受溫較高，管身發(fā)生撓曲，溫差越大，撓曲變形越大，引起伸縮節(jié)變形就越大。

4.2 制造和安裝質(zhì)量

由于伸縮節(jié)的制作工藝較復(fù)雜，在本工程中是組配，未有統(tǒng)一單位生產(chǎn)組裝，伸縮節(jié)的個(gè)體差異相對(duì)較大；伸縮節(jié)在安裝時(shí)未充分考慮到溫度的控制，未避開溫度最高或最低時(shí)段。

在伸縮節(jié)的實(shí)際安裝過程中，發(fā)現(xiàn)伸縮節(jié)的外套管不在上下游兩個(gè)內(nèi)套管的對(duì)稱位置上，而是偏在一邊，或者偏向上游，或者偏向下游。所偏的一邊，外套管已與內(nèi)套管靠得很近。伸縮節(jié)安裝完成時(shí)，受限位螺桿限制，外套管是基本居中的，當(dāng)限位螺桿拆除后，在以后的伸縮變位中，使其偏向一邊了，表明伸縮節(jié)外套管，在膨脹變位和收縮變位的交替變化中，它不能自如地返回到安裝完成時(shí)的位置上去。這說明上游和下游的內(nèi)套管與外套管之間的滑動(dòng)阻力是不均勻的，在伸縮（即推拉）過程中，外套管與內(nèi)套管的變位也就不均勻，使外套管與內(nèi)套管之間的相對(duì)變位只能朝一個(gè)方向，或主要朝一個(gè)方向發(fā)展。由此推測(cè)，外套管偏向一邊是不能回復(fù)的變位積累的結(jié)果。

如果人為將外套管調(diào)整至居中位置，在每天的循環(huán)變位中，很快又會(huì)偏向一邊。如果將內(nèi)外套管阻力調(diào)為一致或接近，也是難以辦到的。在管軸坡度較平緩的情況下，若將伸縮節(jié)置于兩鎮(zhèn)墩中間，約可減少一半的軸向伸縮量，且伸縮節(jié)上下游內(nèi)套管的伸縮狀況基本同步，似可改善上述問題。

4.3 左右側(cè)擋環(huán)擠壓

伸縮節(jié)較大扭動(dòng)變形是管身發(fā)生較大撓曲和偏位的表現(xiàn)，可引起伸縮節(jié)的破壞，影響管道正常通水。但是更重要的是較大撓曲和偏位，改變了鋼管受力狀態(tài)，使管身處于不利的應(yīng)力狀態(tài)中，惡化了管內(nèi)水力條件。頻繁的溫度變化，特別是在非通水期，不僅引起管身撓曲變動(dòng)，也引起管體應(yīng)力的頻繁變化。部分伸縮節(jié)擋環(huán)的擠壓使伸縮節(jié)和管身處于不均衡受力狀態(tài)，對(duì)管身和伸縮節(jié)產(chǎn)生不利影響，長期運(yùn)行對(duì)伸縮節(jié)會(huì)產(chǎn)生破壞作用。鋼管管道在這種狀態(tài)下長期運(yùn)行，給工程安全帶來很大隱患。

經(jīng)分析判斷認(rèn)為：溫度變化和溫度分布不均勻是鋼管伸縮節(jié)在工程完成后產(chǎn)生變形和扭動(dòng)的主要原因；支墩和鎮(zhèn)墩的不均勻沉降很小，不足以引起管道的扭曲和偏位變形；目前伸縮節(jié)變形已較大，實(shí)際變形能力未必能到達(dá)設(shè)計(jì)單向極限偏轉(zhuǎn)角5°的要求而不產(chǎn)生破壞。

針對(duì)以上情況，在2010年通水前對(duì)變位較大16#鎮(zhèn)墩處的伸縮節(jié)采取了用千斤頂將其復(fù)位，在鋼管一側(cè)的墊板上焊接擋塊，限制其變形的方法，據(jù)觀察效果較為明顯，在2010年通水過程中，此處伸縮節(jié)運(yùn)行正常，伸縮節(jié)基本無變化。在伸縮節(jié)復(fù)位過程中，一定要注意避免破壞橡膠圈止水，同時(shí)應(yīng)考慮到如果伸縮節(jié)變形不是很大，對(duì)工程運(yùn)行未造成影響，盡量不采用設(shè)置擋塊，限制其變形。

5 結(jié)語

伸縮節(jié)變形在工程的運(yùn)行過程中是不可避免的，應(yīng)加強(qiáng)伸縮節(jié)的生產(chǎn)工藝控制、安裝過程控制，減小因人為因素造成伸縮節(jié)的變形，在工程的運(yùn)行管理過程中應(yīng)加強(qiáng)伸縮節(jié)變形的觀測(cè)，合理的運(yùn)行調(diào)度，盡量降低伸縮節(jié)因溫度變化而影響其變形。同時(shí)，判斷出引起管身和伸縮節(jié)變形的主要原因,針對(duì)主要變形原因采取相應(yīng)工程和管理措施,減少變形發(fā)展。比如采取遮陽措施、加固支墩、限制支墩沉降和變形、校正伸縮節(jié)、采取有利運(yùn)行的維護(hù)和管理措施等等。陜西水利