黃土隧洞段壓力鋼管及貼邊岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

□董永霞　□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院）

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黃土隧洞段壓力鋼管及貼邊岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

□董永霞□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院）

摘要：文章所介紹的黃土隧洞壓力鋼管全線為地下埋管，結(jié)合壓力鋼管主、岔、支管的總體布置、水力計(jì)算等，闡述了鋼管設(shè)計(jì)原則，由內(nèi)水壓力確定管壁厚度，用抗外壓穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核。在貼邊岔管結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，根據(jù)規(guī)范公式，計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)板的寬度和厚度，并對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板邊緣應(yīng)力進(jìn)行近似驗(yàn)算，針對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，確定合理的補(bǔ)強(qiáng)板有效寬度和厚度。

關(guān)鍵詞：黃土隧洞；壓力鋼管；貼邊岔管；補(bǔ)強(qiáng)板

1　工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程是以劉家峽水庫作為引水水源地，向蘭州市供水，工程涉及臨夏回族自治州、東鄉(xiāng)族自治縣、永靖縣和蘭州市，主要包括取水口、輸水隧洞主洞、分水井、蘆家坪輸水支線、彭家坪輸水支線及其調(diào)流調(diào)壓站、蘆家坪水廠和彭家坪水廠等。水源地建設(shè)工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，取水口、輸水隧洞、分水井、調(diào)流調(diào)壓站、壓力輸水管道及出口建筑物等主要建筑物等級(jí)為2級(jí)，次要建筑物級(jí)別為3級(jí)，臨時(shí)性水工建筑物級(jí)別為4級(jí)。

文章所介紹的黃土隧洞壓力鋼管及貼邊岔管則位于蘆家坪輸水支線隧洞上。蘆家坪輸水支線由輸水隧洞主洞末端的分水井開始向北至蘆家坪水廠，而蘆家坪水廠位于蘭州市西固區(qū)柳泉鄉(xiāng)蘆家坪，廠區(qū)北側(cè)山腳下有南山路通過、廠區(qū)南側(cè)緊鄰南繞城、西側(cè)臨近柳泉村、東側(cè)臨近寺兒溝。

蘆家坪輸水支線的起始點(diǎn)位置樁號(hào)L0+000為分水井中心，末端樁號(hào)L1+260.56，線路總長約1.26 km。在樁號(hào)L1+220.56處，布置蘭州新區(qū)預(yù)留岔管，岔管為貼邊岔管，管徑由1.80 m漸變?yōu)?.40 m，岔管末端用盲法蘭封堵，做3.00 m×3.00 m的閥井保護(hù)，閥井施工完回填恢復(fù)地貌。

蘆家坪輸水支線設(shè)計(jì)流量為10.80 m3/s，采用壓力洞輸水方式，圓形斷面，隧洞內(nèi)徑3.00 m，隧洞前約0.58 km為巖石洞段，后半段為黃土隧洞，采用壓力鋼管外回填混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

2　地質(zhì)條件

蘆家坪輸水支線全長1260.56 m，洞向355°，隧洞埋深22～212 m。

L0+000～L0+300段巖性為褐紅色白堊系下統(tǒng)河口群（K/1hk1/）砂巖與泥巖互層，薄層～中厚層，巖體呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀，巖層產(chǎn)狀20°～30°∠21°～25°，隧洞走向與巖層呈正交狀，巖層傾角較緩，對(duì)隧洞的整體穩(wěn)定性不利，隧洞拱頂易出現(xiàn)塌方，分析隧洞圍巖以Ⅳ類為主，局部Ⅲ類。L0+300～L0+586段隧洞位于砂礫石層與強(qiáng)風(fēng)化砂巖、粘土巖交界帶附近，巖體破碎，成洞條件差，分析隧洞為Ⅳ類圍巖。L0+586.00～L1+260.56段為灰黃色第四系風(fēng)成黃土，隧洞埋深12～111m，黃土類型為中軟土，具有中等壓縮性、弱透水性和濕陷性等特殊性質(zhì)，黃土在干燥狀態(tài)下具有一定的強(qiáng)度，而遇水后強(qiáng)度迅速降低，迅速破壞垮塌。因此黃土段成洞條件差，圍巖類型為Ⅴ類，隧洞極不穩(wěn)定，隧洞開挖后圍巖有一定的自穩(wěn)能力，但自穩(wěn)時(shí)間短，建議加強(qiáng)支護(hù)，全斷面襯砌，無論施工和運(yùn)行過程中均應(yīng)防止使水浸潤土體。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘆家坪輸水支線隧洞為壓力洞，圓形斷面，內(nèi)徑3 m。根據(jù)地質(zhì)條件，蘆家坪輸水支線前段約500 m處在基覆界線附近，洞頂巖石厚度不滿足挪威；后段則從第四系上更新統(tǒng)風(fēng)成黃土層中穿過，故蘆家坪輸水支線全長采用壓力鋼管外包鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.1壓力鋼管主管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1設(shè)計(jì)原則

建筑物級(jí)別為2級(jí)；鋼管承受內(nèi)水壓力時(shí)按照明管進(jìn)行計(jì)算，不計(jì)圍巖分擔(dān)，內(nèi)水壓力全部由鋼襯承擔(dān)；山巖壓力由外包鋼筋混凝土承擔(dān)；由于外包鋼筋混凝土，且鋼管埋于山體中，抗外壓穩(wěn)定校核按照埋管計(jì)算；設(shè)計(jì)主要依據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》、《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.1.2基本參數(shù)

根據(jù)調(diào)保計(jì)算，鋼管設(shè)計(jì)最大靜水壓力為83.50 m，最大動(dòng)水壓力為93.50 m。

鋼材：選擇Q245R級(jí)鋼彈性模量206000 N/mm2；泊松比0.30；密度7.85 t/m3線膨脹系數(shù)1.20×10-5/°C；屈服點(diǎn)鋼板厚度＜16 mm時(shí)，245 MPa；鋼板厚度16～36 mm時(shí)，235 MPa。

3.1.3荷載組合

①基本荷載組合：正常工況最大內(nèi)水壓力；管道放空時(shí)氣壓差，就是管道放空時(shí)的內(nèi)外氣壓差，設(shè)計(jì)取0.08 MPa。②特殊荷載組合：特殊工況最高壓力；施工工況：灌漿壓力。僅考慮回填灌漿、接觸灌漿0.20 MPa。

3.1.4管壁厚度計(jì)算

鋼管承受內(nèi)壓時(shí)按照明管進(jìn)行計(jì)算，不計(jì)圍巖分擔(dān)，內(nèi)水壓力全部由鋼襯承擔(dān)。

根據(jù)鍋爐公式，計(jì)算在最大內(nèi)水壓力情況下所需管壁厚度t，如下：

式中：t－管壁厚度，mm；γw－水的容重，取10.00 kN/m3；H－最大內(nèi)水水頭，包括水擊壓力值的設(shè)計(jì)水頭m；D－鋼管內(nèi)徑，m；φ－焊縫系數(shù)，取0.90；σs－鋼材的屈服強(qiáng)度，采用Q245R，屈服點(diǎn)強(qiáng)度：根據(jù)壁厚取245MPa或235MPa；[σ]－允許應(yīng)力，基本荷載：[σ]=0.55σs；特殊荷載：[σ]=0.7σs。

經(jīng)計(jì)算，鋼管管壁厚度t=15.93 mm，考慮銹蝕厚度2.00 mm，最終鋼板厚度取為18.00 mm。

3.1.5管壁抗外壓穩(wěn)定校核

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL281-2003）第6.1.4條，鋼管管壁抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)不得＜2.00?？紤]到鋼管外均外包鋼筋混凝土，位于山體中，按埋管進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定校核，鋼管臨界外壓力根據(jù)公式B.2.1-1進(jìn)行計(jì)算。

式中：Pcr－臨界外壓，N/mm2；t－管壁計(jì)算厚度，取16.00 mm；r1－鋼管內(nèi)半徑，取1500 mm；σs－鋼材的屈服強(qiáng)度，采用Q245R，屈服點(diǎn)強(qiáng)度：根據(jù)壁厚取245 MPa或235 MPa。

式中t采用計(jì)算厚度（即計(jì)算時(shí)扣除2 mm銹蝕厚度），對(duì)于Q245R其σs取235 MPa（厚度16.00～36.00 mm），放空工況為抗外壓穩(wěn)定校核的控制工況。經(jīng)計(jì)算，抗外壓穩(wěn)定系數(shù)K=4.77＞2.00，大于規(guī)范規(guī)定值，故鋼管壁厚滿足抗外壓穩(wěn)定要求。

按照構(gòu)造要求，壓力鋼管每隔10 m設(shè)置一道阻止管壁失穩(wěn)的加勁環(huán)，加勁環(huán)環(huán)高150 mm，厚度為22 mm，并且對(duì)鋼管頂部120°范圍進(jìn)行回填灌漿，底部120°范圍進(jìn)行接觸灌漿，其中回填灌漿孔應(yīng)深入圍巖0.10 m，采用低壓灌漿，灌漿壓力0.15 MPa，接觸灌漿的灌漿壓力為0.10 MPa。

3.2壓力鋼管岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1設(shè)計(jì)參數(shù)

岔管為卜形貼邊岔管，運(yùn)行工況下的設(shè)計(jì)內(nèi)水頭為85.00 m，分岔角β=55°，主管為錐管，半錐頂角α1=2.44°，支管為錐管，半錐頂角α2=5.71°，分岔處半徑R0=1.50 m，R2= 0.90 m，岔管外回填混凝土襯砌結(jié)構(gòu)。

3.2.2岔管壁厚計(jì)算

計(jì)算公式：

式中：P—設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力，N/mm2；R—該節(jié)鋼管最大內(nèi)半徑，mm；K—應(yīng)力計(jì)算系數(shù)，由β=55°，R2/R0=0.60，查表取K＝1.45；[σ]—基本荷載下管殼材料的容許應(yīng)力，[σ]=0.5σs，N/mm2；—焊縫系數(shù)；—該節(jié)鋼管半錐頂角。

經(jīng)計(jì)算，主管壁厚δ1＝19.91 mm，支管壁厚δ2＝12.00 mm，再考慮銹蝕厚度2.00 mm，由《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL281-2003）知，管壁最小厚度不宜小于(D/800+4) mm，也不應(yīng)＜6.00 mm，且鋼管壁厚級(jí)差宜取2.00 mm。綜合考慮，主管壁厚22.00 mm，支管壁厚20.00 mm。

3.2.3補(bǔ)強(qiáng)板尺寸計(jì)算

補(bǔ)強(qiáng)板厚度δ’計(jì)算

計(jì)算公式如下：

式中：k—應(yīng)力集中系數(shù)。查表取k=3.50；σ0—管殼膜應(yīng)力，N/mm2；C—銹蝕裕量，取C=2～3 mm。

經(jīng)計(jì)算，主管壁厚δ1’=4.36 mm，支管壁厚δ2’=4.29 mm，由《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL281-2003）知，管壁最小厚度不宜＜(D/800+4) mm，也不應(yīng)＜6.00 mm，最終選取δ1’=8.00 mm，δ2’6.00 mm。由計(jì)算結(jié)果知，補(bǔ)強(qiáng)板厚度小于管殼厚度，對(duì)膜應(yīng)力場影響較小，所以按經(jīng)驗(yàn)法，補(bǔ)強(qiáng)板厚度一般采用與管壁等厚，補(bǔ)強(qiáng)板寬度采用“規(guī)范”推薦范圍值0.70R2～1.10R2，取最大值補(bǔ)強(qiáng)板寬度最終為0.80 m。

3.2.4應(yīng)力驗(yàn)算

一般采用經(jīng)驗(yàn)公式，估算銳角貼邊外緣的最大主應(yīng)力值，其公式如下：

式中：R2、R0—支管、主管軸線交點(diǎn)處的直徑，m；α1、α2—支管、主管半錐角，°；σ0—主管膜應(yīng)力，N/mm2；σ—孔口局部應(yīng)力，N/mm2。

經(jīng)計(jì)算，σmax=107.17 N/mm2＜0.5[σ]=117.50 N/mm2。

4　結(jié)論

由上述計(jì)算知，蘆家坪支線壓力鋼管段按明管進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，按埋管進(jìn)行抗外壓穩(wěn)定復(fù)核，最終選取管壁厚度18 mm。岔管段主管壁厚22 mm，支管壁厚20 mm，補(bǔ)強(qiáng)板厚度分別與管壁厚度相等，主管補(bǔ)強(qiáng)板厚度22 mm，支管補(bǔ)強(qiáng)板厚度20 mm，補(bǔ)強(qiáng)板寬度選取0.80 m，其中補(bǔ)強(qiáng)板與管殼理論上應(yīng)成為整體，因此補(bǔ)強(qiáng)板的曲率與管殼外緣曲率一致，并且結(jié)合緊密，除了孔口及板四周焊接外，必要時(shí)，板上宜布置塞焊孔。

（責(zé)任編輯：劉長垠韋詩佳）

收稿日期：2016-02-23

作者簡介：董永霞（1982-），女，漢族，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)：TV732

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-8853（2016）03-0089-02