山西省萬(wàn)家寨引黃工程北干線檢修閥井穩(wěn)定分析

葉雄俊

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

山西省萬(wàn)家寨引黃工程北干線（近期實(shí)施方案）自總干線下土寨分水閘起，穿過(guò)呂梁山，經(jīng)大梁水庫(kù)至墻框堡水庫(kù)，全長(zhǎng)161.115km，其中主要建筑物有：下土寨分水閘、隧洞、2座長(zhǎng)117.36km的倒虹、4座調(diào)節(jié)水庫(kù)及揚(yáng)水泵站等組成。根據(jù)管道運(yùn)行充水、事故檢修排水和系統(tǒng)運(yùn)行管理的需要，倒虹沿線共設(shè)置了13座檢修閥井。檢修閥井將線路分為多個(gè)小段，便于在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)，并盡可能減少棄水以減少損失。

檢修閥的作用除便于分段檢修外，還在于控制管線在運(yùn)行前小流量充水。充水流量按管道內(nèi)平均流速不大于0.3m/s確定，主要設(shè)備是電動(dòng)蝶閥，其次是旁通管和旁通管上的閥門(mén)和孔板消能裝置。此外還有進(jìn)氣閥、壓力表等。

檢修閥井的電動(dòng)蝶閥具有現(xiàn)地和遠(yuǎn)方控制功能。檢修閥井附近的流量計(jì)信號(hào)先傳送至檢修閥井，并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)備采集處理，通過(guò)全線自動(dòng)化系統(tǒng)一并上送至調(diào)度控制中心。

2 檢修閥井設(shè)計(jì)

檢修閥井設(shè)計(jì)為矩形，其尺寸為9.7m×8.6m（長(zhǎng)×寬），井內(nèi)分為閘閥層和操作層。閘閥層位于地面以下，其深度根據(jù)管道開(kāi)挖深度確定，內(nèi)設(shè)檢修閥門(mén)及其他附屬設(shè)備。操作層位于地面以上，凈高4.2m，在垂直管線方向設(shè)一道240 mm厚磚墻將操作層分隔成安裝檢修間與工作間，以隔離檢修閥工作產(chǎn)生的水汽，保證閥井安全正常運(yùn)行。安裝檢修間內(nèi)操作層板開(kāi)孔便于安裝檢修時(shí)起吊設(shè)備，工作間內(nèi)設(shè)檢修閥井運(yùn)行所需的電氣設(shè)備。

整個(gè)閥井地下部分全部采用C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地面以下墻體厚0.8m，底板厚0.8m。底板根據(jù)計(jì)算，閥井底板沿管線方向延長(zhǎng)2m，水頭較大的閥井底板延伸4m，底板上設(shè)一道1.2m×0.67m的混凝土橫梁，橫梁上安裝有檢修閥、旁通閥等設(shè)備。穿墻管道為不銹鋼管，其長(zhǎng)度超出兩邊墻體各0.5m之后接PCCP管，穿墻管在墻體內(nèi)設(shè)有加筋環(huán)固定，使管道與檢修閥井形成整體，操作層板C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚0.2m。地面以上磚墻厚0.37m，屋面板為C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.12m，長(zhǎng)×寬為10.09m×9.4m。

檢修閥井基礎(chǔ)處理采用500 mm厚3：7灰土墊層或是500 mm厚碎石墊層，根據(jù)不同地質(zhì)條件確定。

檢修閥井結(jié)構(gòu)布置圖見(jiàn)圖1、結(jié)構(gòu)受力圖見(jiàn)圖2。

圖1 檢修閥井結(jié)構(gòu)布置圖

圖2 結(jié)構(gòu)受力圖

3 檢修閥井穩(wěn)定計(jì)算

當(dāng)管道正常運(yùn)行時(shí)，檢修閥井閥門(mén)全開(kāi)，閥井前后左右均為對(duì)稱，受力均勻，此時(shí)只需要考慮閥井地基承載力是否滿足要求。

當(dāng)PCCP管線某段需要進(jìn)行檢修時(shí)，線路停止輸水，此段管線兩端檢修閥井關(guān)閉閥門(mén)，再將此段需要檢修的管線內(nèi)的水全部放空，此時(shí)檢修閥井閥門(mén)一端沒(méi)水，另一端承受較大的靜水壓力，從而產(chǎn)生巨大的水平推力，這時(shí)需要考慮檢修閥井的穩(wěn)定。閥井穩(wěn)定常用以下兩種方式：第一種是由閥井自重止推，即檢修閥井自重與土層之間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受水平推力；第二種PCCP管采用限制性接頭，由PCCP管道與土層之間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)承受水平推力，由于接頭被限制，推力沿管線傳遞，計(jì)算得出限制性接頭PCCP管道長(zhǎng)度，從而不影響閥井的穩(wěn)定。

3.1 閥井自重止推方式

當(dāng)采用閥井自重方式止推時(shí)，需要考慮閥井抗滑穩(wěn)定和地基承載力。

本次分析只考慮了最不利工況：檢修工況，計(jì)算以40 m靜水頭為例。

計(jì)算主要荷載有：閥井自重、雪荷載、風(fēng)荷載、水壓力、檢修閥自重、水重及延伸底板上部土重。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出閥井自重W閥=7333.1kN（包括閥井內(nèi)鋼管自重）；閥井底板延伸部分上部土體自重W土=3255.7kN；閥井一側(cè)水重W水=315.5kN；40 m水頭產(chǎn)生的水壓力P水壓=1520.5kN；雪荷載23.7kN；風(fēng)荷載26.0 kN，檢修閥自重W檢=60 kN。

1）抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中:kc—抗滑安全系數(shù)；

∑W—作用在閥井上的所有豎向荷載的總和，kN；

∑P—所有水平力的總和，kN；

f —底板與地基土壤之間的摩擦系數(shù)，考慮是灰土墊層（f）取 0.35。

豎向荷載包括閥井自重、雪荷載、檢修閥自重、水重及底板延伸部分土重，計(jì)算結(jié)果為10988kN。

水平荷載包括水壓力及風(fēng)荷載，計(jì)算結(jié)果為1546.5kN。

因?yàn)?kc=2.49＞［kc］=1.2滿足要求。

2）閥井基底應(yīng)力計(jì)算公式：

式中：σmin、σmax—閥井基底應(yīng)力的最大值和最小值；

∑W—作用在閥井上的所有豎向荷載的總和，kN；

∑M—作用在閥井上全部豎向和水平荷載產(chǎn)生的力矩，kN·m；

A—閥井底板面積，m2；

B—閥井底板沿水流方向的長(zhǎng)度，m。

豎向荷載總和同抗滑穩(wěn)定計(jì)算中∑W為10988kN。

對(duì)基礎(chǔ)中心點(diǎn)取矩，一側(cè)管中水重、檢修閥自重、風(fēng)荷載和水壓力產(chǎn)生彎矩，

M水=315.5×（-2.7）=-851.85kN·m

M檢=60×1.455=87.3kN·m

M風(fēng)=26×9.05=235.3kN·m

M水壓=1520.5×2.9=4409.45kN·m

計(jì)算結(jié)果為3880.2kN·m。

得出結(jié)論：檢修閥井抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力均滿足要求。

由于檢修閥井四周土壓力為對(duì)稱分布，計(jì)算時(shí)未考慮水平土壓力，但值得注意的是閥井垂直水流方向一側(cè)邊墻與土體產(chǎn)生的摩擦力對(duì)閥井抗滑穩(wěn)定起到有利作用，計(jì)算中未考慮使得計(jì)算結(jié)果偏于安全。

3.2 限制性接頭止推方式

在不設(shè)鎮(zhèn)墩的情況下，當(dāng)輸送流體的某一段管道的末端，由于改變方向，閥門(mén)關(guān)閉或斷面縮小時(shí)所產(chǎn)生的軸向力將作用于管道壁，并向其上游傳遞，對(duì)于埋設(shè)在地下的管道來(lái)說(shuō)，由于管道自重、流體重、覆土重等（對(duì)于處于地下水位以下的部分應(yīng)扣除浮力）同管床之間存在摩擦阻力，當(dāng)一定長(zhǎng)度管段的這種摩擦阻力能夠同軸向力平衡時(shí)，該管段稱為限制性管段，摩擦阻力大致呈均勻分布；而管道所承受的軸向力則從其末端為最大逐漸變化到限制性管道終止時(shí)為零，呈三角形分布。

采用限制性接頭止推方式是在閥的每一側(cè)將數(shù)個(gè)PCCP管的接頭限制在一起形成整體，從而增大了限制管道的摩擦力以抵抗推力。根據(jù)推力，通過(guò)計(jì)算來(lái)確定限制性管道長(zhǎng)度L。

計(jì)算公式：

式中：L—閥門(mén)每端限制管段長(zhǎng)度，m；

P—內(nèi)水壓力，kN；

A—管道截面面積，m2；

f—管道與土間摩擦系數(shù)，f=0.35；

We—每延米管道上覆土荷載，kN；

Wp—每延米管重，kN；

Ww—每延米管中水重，kN；

ω—回填土容重；

Bc—管外徑，m；

H—上覆土層厚，m。

每節(jié)PCCP管長(zhǎng)按6m計(jì)，由限制管段長(zhǎng)度L可估算限制接頭個(gè)數(shù)。

由于限制性接頭承擔(dān)了水平推力，檢修閥井的穩(wěn)定計(jì)算不需要考慮抗滑穩(wěn)定計(jì)算，只做基底應(yīng)力計(jì)算。

式中：σmax、σmin—閥井基底應(yīng)力的最大值和最小值，kN/m2；

∑W—作用在閥井上的所有豎向荷載的總和，kN；

A—閥井底板的面積，m2；

B—閥井底板沿水流方向的長(zhǎng)度，m；

∑M—作用在基礎(chǔ)上的全部豎向和水平荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩，kN·m。

計(jì)算時(shí)同樣只考慮最不利工況：檢修工況。

主要荷載有：閥井自重、雪荷載、風(fēng)荷載、檢修閥自重、水重及底板延伸部分土重，計(jì)算結(jié)果同上。

豎向荷載包括閥井自重、雪荷載、檢修閥自重、水重及底板延伸部分土重，計(jì)算結(jié)果為10988kN。

對(duì)基礎(chǔ)中心點(diǎn)取矩，一側(cè)管中水重、檢修閥自重和風(fēng)荷載產(chǎn)生彎矩，

經(jīng)計(jì)算得σmax=96.98kPa σmin=89.54kPa

得出結(jié)論：閥井基底應(yīng)力滿足要求。

兩種止推方式基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1：

表1 檢修閥井基底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)地質(zhì)資料，地基允許承載力為[σ]=80～110 kPa，σmax/σmin均小于2，以上計(jì)算結(jié)果均在允許范圍之內(nèi)，基底應(yīng)力滿足工程要求。

4 結(jié)論分析

限制性接頭止推方式其優(yōu)點(diǎn)是不占用過(guò)大的地下空間，計(jì)算時(shí)只需考慮管道內(nèi)鋼（鋼筒、鋼筋）材料的抗拉作用，使其即使在實(shí)驗(yàn)壓力下也不超過(guò)材料的許可應(yīng)力；受地形、管線、地上建筑物限制；并且節(jié)省投資。其缺點(diǎn)是要求地質(zhì)條件較好且回填土施工質(zhì)量高的地段，當(dāng)管道地基有不均勻沉降時(shí)，會(huì)使應(yīng)力集中在管道接頭處，由于限制性接頭已經(jīng)限制了管道的管道接頭處的位移，從而造成接頭處混凝土開(kāi)裂，甚至接頭破壞，如果水平推力達(dá)到一定時(shí)，對(duì)PCCP管道內(nèi)鋼筒厚度及生產(chǎn)都有特殊要求；且限制性接頭施工進(jìn)度慢，厚鋼板鋼筒加工時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)使限制性接頭管的制作不能滿足施工進(jìn)度的要求。

閥井自重止推方式優(yōu)點(diǎn)是工程施工相對(duì)簡(jiǎn)單，施工質(zhì)量能夠得到很好的控制，并且減少了地基不均勻沉降時(shí)發(fā)生的管段失事的風(fēng)險(xiǎn)；不會(huì)影響工程施工進(jìn)度。缺點(diǎn)是增加了檢修閥井的投資；在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)摩擦系數(shù)的選取、墊層和填土的設(shè)計(jì)及地下水位情況等多方面進(jìn)行研究；要求有一定的施工場(chǎng)地。

檢修閥井止推設(shè)計(jì)除上述限制性接頭止推方式和閥井自重止推方式外，還可以采用聯(lián)合止推方式。聯(lián)合止推方式顧名思義就是限制性接頭止推和自重止推兩種方式共同作用來(lái)抵抗水平推力，但由于閥井和管道的自重相差太大，兩者與土體的變形模量相差太遠(yuǎn)，不能有效地保證工程運(yùn)行的安全，國(guó)內(nèi)外可以借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)尚少，故本次未考慮聯(lián)合止推方式。

本次工程設(shè)計(jì)從以往工程經(jīng)驗(yàn)及工程安全的角度考慮，檢修閥井采用自重止推方式。