FRPM管道在坪上應(yīng)急引水工程中的應(yīng)用

劉建成

（山西省水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站，山西 太原 030002）

1 引言

玻璃纖維增強(qiáng)塑料夾砂管（以下簡(jiǎn)稱FRPM管）是以玻璃纖維及其制品為增強(qiáng)材料，以不飽和聚酯樹脂等為基體材料，以石英砂及碳酸鈣等無機(jī)非金屬顆粒材料為填料，采用定長(zhǎng)纏繞工藝、離心澆鑄工藝、連續(xù)纏繞工藝方法制成的管道。20世紀(jì)60年代，國(guó)外采用離心法研制成功了玻璃鋼砂漿管，但受技術(shù)條件限制，管道存在強(qiáng)度低、性能離散性大、韌性差等不足，應(yīng)用發(fā)展緩慢。直到80年代初纏繞夾砂法的出現(xiàn)，使得FRPM管道制造技術(shù)才有了重大進(jìn)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。90年代，我國(guó)引進(jìn)了纖維纏繞玻璃鋼夾砂管道生產(chǎn)線，開創(chuàng)了國(guó)產(chǎn)FRPM管應(yīng)用先例。FRPM管具有耐腐蝕、水力學(xué)特性好、重量輕、施工性能好、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，越來越多地應(yīng)用于水利工程建設(shè)領(lǐng)域。由于FRPM管道應(yīng)用時(shí)間較短，目前國(guó)內(nèi)尚未形成專門的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范。下文結(jié)合山西省坪上應(yīng)急引水工程對(duì)FRPM管道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步研究。

2 工程概況

坪上應(yīng)急引水工程位于忻州市五臺(tái)縣、定襄縣、忻府區(qū)和原平市境內(nèi)，是以坪上泉域的泉水為水源，向忻府區(qū)、定襄縣和原平市提供城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水為主要任務(wù)的引水工程。工程由水源工程和供水工程兩大部分組成，線路總長(zhǎng)123 km，其中直徑1 800 mm的FRPM管道19.1 km，直徑1 400 mm的FRPM管道63.8 km。

3 水文地質(zhì)情況

工程供水管線途徑滹沱河右岸階地、灘地，忻定盆地和原平盆地沖洪積平原區(qū)，地層主要為上更新統(tǒng)坡洪積物、第四系全新統(tǒng)早期洪沖積物、上更新統(tǒng)沖積物、局部地段為非自重濕陷性黃土，地下水位埋深較淺。根據(jù)工程供水管道沿線水文地質(zhì)勘察資料，通過分析管道地基的力學(xué)特性，結(jié)合地下水位埋深情況，管道地基土可分為一般性土、濕陷性土、高地下水位中高壓縮性土、高地下水位級(jí)配不良砂和巖石等5種典型類型。

4 管道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.1 地基荷載計(jì)算

供水管線所處地區(qū)為北方寒冷地區(qū)，忻府區(qū)、定襄縣和原平市的最大凍土深分別為1.09 m，1.17 m和1.21 m。為保證供水管線的安全，滿足其正常工作要求，設(shè)計(jì)管頂覆土厚度為1.5 m，管頂回填土平均重度取20 kN/m3。作用在管道地基的豎向荷載主要有：豎向土壓力、管體自重、管中水重、地面荷載（含建筑物及堆積物和車輛荷載等）。

土壓力：根據(jù)《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，開槽敷設(shè)的埋地柔性管道管頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算:

式中：Wck——每延長(zhǎng)米管道頂?shù)呢Q向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；

γs——回填土的重力密度，kN/m3；

Hs——管頂至設(shè)計(jì)地面的覆土高度，m；

D1——管道外緣寬度，m。

管體自重:按管道結(jié)構(gòu)尺寸與材料單位體積的自重計(jì)算確定：直徑1 800 mm的管壁厚24.9 mm，直徑1 400 mm的管壁厚21.4 mm，自重20 kN/m3。

管中水重：按管中滿水計(jì)算，水的重力密度10 kN/m3。

地面荷載：地面堆積荷載標(biāo)準(zhǔn)值取10 kN/m2，管線與公路交叉段專門設(shè)計(jì)，本文不考慮車輛荷載。

管道與地基接觸面：管道基礎(chǔ)按接觸面形式分為平面基礎(chǔ)和弧形基礎(chǔ)。平面基礎(chǔ)是將管道直接敷設(shè)在原狀平面土基上，管道受力差，基礎(chǔ)受力集中，適用于管徑較小的城市輸配水管網(wǎng)?；⌒位A(chǔ)是在原土開挖或通過掖角回填形成弧形管槽，弧形中心角一般取值在 90°～180°之間，對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)支撐角為 60°～150°，管道與地基接觸面寬度近似取管道外徑的圓心角弦長(zhǎng)。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)管頂覆土厚度1.5 m、地下水位埋深3.3 m，弧形中心角為120°時(shí)，直徑1 800 mm和直徑1 400 mm的管基底壓力分別為83.5 kPa，77.5 kPa。

根據(jù)工程供水管道沿線水文地質(zhì)勘察資料，高地下水位中高壓縮性土天然含水率18.0%～27.5%、壓縮系數(shù) 0.17～0.76 MPa-1、滲透系數(shù) 0.01×10-5～12.7×10-5cm/s、地基承載力建議值40～60 kPa，地基土具有中高壓縮性、滲透系數(shù)小，地基承載能力低等特點(diǎn)。級(jí)配不良砂地基天然含水率18.6%～28.5%，顆粒組成以砂粒和粉粒為主，黏粒含量極少，不均勻系數(shù)2.3～3.0，曲率系數(shù)1.0～1.4，單粒級(jí)含量較大，級(jí)配不良，容易液化，地基承載能力低。濕陷性土壓縮系數(shù)0.17～0.40 MPa-1、濕陷系數(shù) 0.019～0.068，具有低中壓縮性和中等濕陷性。在荷載作用下，高地下水位中高壓縮性土、級(jí)配不良砂和浸水后的濕陷性土地基沉降變形較大，容易引起管道地基不均勻變形，影響管道正常運(yùn)行?？紤]工程運(yùn)行安全和維修管護(hù)等因素，必須對(duì)地基土進(jìn)行處理。

4.2 地基處理方法及選用

管道地基常用處理方法有換土、壓實(shí)、擠密和排水固結(jié)等。換土法是將基礎(chǔ)底面下一定深度的弱承載土挖除，換填碎石、砂、黏土、灰土、塊石等墊層材料，使換填墊層作為地基的持力層，通過墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，減少對(duì)墊層下面地基單位面積的荷載，提高地基承載力。換土法適用于淺層淤泥質(zhì)土、濕陷性土等淺基礎(chǔ)處理。壓實(shí)是采用機(jī)械碾壓的方法，使地基土孔隙減小、密度提高，適用于碎石土、低飽和土等地基。擠密法是通過振動(dòng)或擠密使地基土密實(shí)的同時(shí)回填砂、礫石形成復(fù)合地基，適用于砂土、粉土及含水量較小的粉土地基。排水固結(jié)是采取加壓、抽水等措施，加速土層固結(jié)，提高地基土強(qiáng)度，適用于厚度較大的飽水軟地基。

坪上供水管道地基埋置淺、結(jié)構(gòu)荷載不大，且不良地基土天然含水率高、黏性土、粉土地基滲透系數(shù)小，考慮工程安全、經(jīng)濟(jì)、施工進(jìn)度等因素，適宜采用換土法對(duì)地基進(jìn)行處理。采用換土法換填透水性大的材料作墊層，有助于土中水分排除，加速含水地基土固結(jié)，同時(shí)施工工藝簡(jiǎn)單，質(zhì)量容易保證，施工速度快，能滿足工程進(jìn)度需要。

4.3 管道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

4.3.1 墊層厚度

換土法墊層厚度通?？刂圃?.5～3.0 m之間，取碎石層的厚度0.5 m，砂墊層0.15 m，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，按下式對(duì)管道碎石墊層底面（軟弱下臥層頂面）處地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。

式中：pz——軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；

pcz——軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值，kPa；

faz——軟弱下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，kPa。

根據(jù)換填碎石墊層和下層不良地質(zhì)土的壓縮模量比，查《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，經(jīng)計(jì)算：直徑1 800 mm、直徑1 400 mm軟弱下臥層頂面壓力分別為 80.2 kPa，72.3 kPa，小于地基承載力修正值102.8 kPa，95.5 kPa，滿足地基承載力要求。

4.3.2 墊層寬度

墊層寬度應(yīng)滿足基底應(yīng)力擴(kuò)散要求和施工相關(guān)規(guī)范。根據(jù)應(yīng)力擴(kuò)散角法計(jì)算，直徑1 800 mm的管道墊層底寬應(yīng)不小于2.06 m。同時(shí)結(jié)合管道施工工作面寬度要求和基坑開挖經(jīng)驗(yàn)放坡，對(duì)墊層底適當(dāng)加寬，最終確定墊層底面寬度為2.6 m。

4.3.3 墊層材料

墊層材料包括砂石、粉質(zhì)黏土、灰土、粉煤灰等。由于該項(xiàng)目管線沿線地下水位較高，采用粉煤灰墊層時(shí)易污染地下水，墊層材料主要采用砂石和灰土。

4.4 地基處理試驗(yàn)

主干線樁號(hào)20+350—20+425位于忻定盆地沖洪積平原區(qū)，土質(zhì)為淡黃色低液限黏土，稍濕、濕，黏粒含量較高，可塑，土質(zhì)較硬，供水管線持力層為低液限黏土，地下水位埋深1.8～3.5 m，為典型的高地下水位低液限黏土地基。經(jīng)試驗(yàn)，經(jīng)換填碎石墊層處理后的基礎(chǔ)能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.5 處理方法

管道沿線地段地質(zhì)條件復(fù)雜多變，根據(jù)FRPM管道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成果和地基處理試驗(yàn)，考慮工程安全、經(jīng)濟(jì)等因素，提出了下幾種典型地基的處理方法：一是一般性土基地段，開挖后應(yīng)將原狀土整平、夯實(shí)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.85；二是濕陷性土層地段，管溝開挖后鋪填50 cm厚3∶7灰土墊層，壓實(shí)系數(shù)不小于0.90；三是高地下水位中高壓縮性土、高地下水位級(jí)配不良砂土層地段，換填50 cm厚碎石墊層，相對(duì)密實(shí)度不小于0.67；四是基巖地段，管溝垂直開挖完成后，采用C10混凝土找平。基礎(chǔ)處理完畢后鋪設(shè)管底鋪設(shè)150 mm厚粗砂墊層，墊層要求一次鋪設(shè)完畢，均勻鋪攤整平，相對(duì)密實(shí)度不小于0.65。

5 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

坪上應(yīng)急引水工程管線管道安裝完成后，在工程驗(yàn)收前對(duì)FRPM管道管徑向進(jìn)行爬管檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)，F(xiàn)RPM管道永久變形值均在管道內(nèi)徑的5%（90 mm）以內(nèi)，其中，63%的測(cè)點(diǎn)變形量均在55 mm以內(nèi)，滿足規(guī)范的要求。2009年12月主干線及忻府支線至忻府調(diào)節(jié)池試通水成功，2010年6月原平供水支線至原平調(diào)節(jié)池試通水成功，2011年1月通水驗(yàn)收，目前供水管道運(yùn)行正常。

6 結(jié)語

文章結(jié)合山西省坪上應(yīng)急引水工程管道沿線水文地質(zhì)勘察資料，分析了管道地基管道水文地質(zhì)特征，對(duì)RPMP管道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、管道基礎(chǔ)荷載計(jì)算、地基承載力復(fù)核、地基處理方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，提出了不同類型管道地基的處理方法，并成功應(yīng)用于工程建設(shè)。經(jīng)過通水運(yùn)行，表明該地基處理方法能夠有效消除不良地基的不均勻變形，改善地基承載力，且施工簡(jiǎn)便、工程質(zhì)量易于控制，可為其他類似工程的建設(shè)提供參考。