PCCP管道承載特性及管線設(shè)計(jì)研究

周立坤

（凌源市應(yīng)急供水建設(shè)管理處，遼寧朝陽122500）

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PCCP管道承載特性及管線設(shè)計(jì)研究

周立坤

（凌源市應(yīng)急供水建設(shè)管理處，遼寧朝陽122500）

摘要：輸水管線周圍的土體承載能力較低，孔隙較大，容易導(dǎo)致不均勻沉降。以青龍河引水工程輸水工程為研究對(duì)象，首先對(duì)PCCP管道承載特性進(jìn)行研究，分析了管道旋轉(zhuǎn)角對(duì)承載特性的影響，并計(jì)算了管道位移特性。其次對(duì)PCCP管道設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，研究了管道埋深和防腐。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，提出了減小管道旋轉(zhuǎn)角的方法，為類似輸水管線工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：PCCP管道；承載特性；施工技術(shù)；青龍河

軟土基的塑性較強(qiáng)，其固體力學(xué)性能與普通土基不同［1］。由于土體結(jié)構(gòu)，軟土基可以承受一定的外部載荷，具有固體的力學(xué)性能；但當(dāng)外部載荷較大時(shí)，軟土基發(fā)生塑性形變，同時(shí)由于軟土具有較大的粘度，其經(jīng)常導(dǎo)致管道事故［2］。PCCP管道直徑較大，一般由預(yù)應(yīng)力混凝土制備，具有良好的伸縮性和耐腐蝕性，抗?jié)B能力也優(yōu)于一般管道［3］。基于國內(nèi)研究情況，對(duì)PCCP管道工作機(jī)理進(jìn)行研究，分析了旋轉(zhuǎn)角對(duì)運(yùn)行的影響，計(jì)算了 PCCP管道的位移特性。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)PCCP管道施工工藝進(jìn)行探討，希望為今后輸水管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 PCCP管道承載特性

1.1 接縫寬度與轉(zhuǎn)角關(guān)系

青龍河水源段為單管線輸水，線路全長58.11km，其中管道長56.11km，隧洞長2km。PCCP管道直徑為1200mm，其中過河和管道壓力大于1.0MPa的為鋼管，其他為 PCCP管。鋼管長34.90km，PCCP管長為20.6km。PCCP管有內(nèi)襯式（PCCP-L型）和埋置式（PCCP-E型）兩種型式，本工程管徑為1200mm，采用埋置式即PCCP-L結(jié)構(gòu)。PCCP管道接口技術(shù)有單膠圈和雙膠圈兩種，雙膠圈接口技術(shù)安裝后可以進(jìn)行密閉性檢測試驗(yàn)，比單膠圈接口技術(shù)更加可靠，因此PCCP輸水管道接口采用雙膠圈技術(shù)［4］。

PCCP管道接頭為搭接，正常工況下，接頭可以旋轉(zhuǎn)一定角度，這種設(shè)計(jì)組織了彎矩傳遞，使管

如管道直徑為1.2m，則A點(diǎn)處的最大縫寬為2.3cm，當(dāng)轉(zhuǎn)角為1.5°時(shí)，PCCP管道間的最大縫隙為8.7cm。道具有較強(qiáng)的抗變形能力。但當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度超限時(shí)，插接管出現(xiàn)較大應(yīng)力，并使管道結(jié)構(gòu)破壞。圖1給出了管道旋轉(zhuǎn)示意圖，PCCP管道直徑為D，長度為L，管道間的最大縫寬為Δ，最大旋轉(zhuǎn)角為θ0，則：

圖1 管道旋轉(zhuǎn)示意圖

1.2 彎曲管段受力分析

PCCP管道通過旋轉(zhuǎn)可以抵抗剛性約束，但如果旋轉(zhuǎn)角度超限，管道則會(huì)出現(xiàn)彎曲，假設(shè)此時(shí)的選擇角度為θ（θ＞θ0）。轉(zhuǎn)角位移計(jì)算式為［5］：

式中：MA B、MB A為2段管道的彎矩；θA、θB為旋轉(zhuǎn)角；L為管道長度。

假設(shè)插入上一段管道的長度為6cm，管道直徑1.2m，經(jīng)計(jì)算得出不同超限旋轉(zhuǎn)角度下的PCCP管道應(yīng)力分布情況，如圖2。由圖2可知，管道旋轉(zhuǎn)角超限0.01°時(shí)，PCCP管道中的最大應(yīng)力已達(dá)264MPa；管道旋轉(zhuǎn)角超限0.02°時(shí)，最大應(yīng)力已達(dá)540MPa，已超過管道屈服應(yīng)力，此時(shí)管道已經(jīng)損壞。

圖2 不旋轉(zhuǎn)角度下最大應(yīng)力分布

1.3 管道位移特性

在軟土基上安裝PCCP管道，由于載荷不均勻性，回填土?xí)谧陨碇亓Φ淖饔孟鲁霈F(xiàn)不均勻沉降，這部分不均勻載荷作用在PCCP管道上，存在安全隱患［6］。因此分析PCCP管道的承載特性，首先應(yīng)對(duì)不均勻沉降進(jìn)行研究。當(dāng)載荷大小相同，但土體材料不同時(shí)，管道就會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降，為了研究不均勻沉降與管道旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系，建立了機(jī)動(dòng)場極限分析理論，如圖3。

圖3 管道沉降與土體強(qiáng)度關(guān)系機(jī)理

假設(shè)單位長度的管道質(zhì)量為pw，則軟土基極限承載力pu=pw，管道外徑為Dt，軟土基不排水強(qiáng)度為c，則PCCP管道沉降計(jì)算式為［7-8］：

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，我國也是一個(gè)人口大國，因此，我國人民對(duì)于農(nóng)作物的需求是非常大的。其中較為重要的一種農(nóng)作物就是大豆。大豆不同于大米等用處較為單一，大豆本身的用處非常多，能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化使用。但是由于我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直都是小農(nóng)耕種的情況，我國的大豆種植是沒有一個(gè)嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的，從而導(dǎo)致了我國大豆的種植水平一直無法提高，這樣就沒有辦法生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的大豆。這對(duì)于我國種植行業(yè)而言，是非常嚴(yán)重的一個(gè)問題?；诖祟惽闆r，本文做出如下研究：

若管道1的不排水強(qiáng)度為30kPa，管道2的不排水強(qiáng)度為10kPa時(shí)，經(jīng)計(jì)算2段管道間的旋轉(zhuǎn)角度為0.5°。假設(shè)回填軟土的壓實(shí)度相應(yīng)，當(dāng)鋼板樁撤出后，側(cè)面地基土?xí)?duì)PCCP管道產(chǎn)生側(cè)向壓力，由于回填土和地基土的力學(xué)性能不同，因此相鄰管段受到的載荷也不同，導(dǎo)致PCCP管道出現(xiàn)不均勻的水平位移。

2 PCCP管線設(shè)計(jì)

2.1 埋深設(shè)計(jì)

輸水管道由南至北縱貫凌源市，穿越了凌源市大凌河西支和青龍河2條河流，所經(jīng)地段主要為河道、河灘地、山溝、山坡地，管道埋深1.35m，開挖深度為3～4m，地層巖性主要為砂卵石、含碎石粘性土及少量的強(qiáng)弱風(fēng)化巖。根據(jù)開挖斷面地層巖性確定開挖邊坡，砂卵石、含碎石粘性土、強(qiáng)弱風(fēng)化巖的開挖邊坡分別為1：1.5，1：1，1：0.75。根據(jù)開挖深度及邊坡初步估算開挖量。

根據(jù)地質(zhì)勘測資料，除個(gè)別地段外，管道地層巖性主要為砂卵石、含碎石粘性土及少量的強(qiáng)弱風(fēng)化巖?；A(chǔ)承載力均大于150kPa，DN1200的PCCP管道埋深6m時(shí)對(duì)基礎(chǔ)荷載為 80kPa，遠(yuǎn)小于基礎(chǔ)未經(jīng)修正的的承載力，基礎(chǔ)承載力滿足要求。在樁號(hào)為25+502～26+145的地段局部有淤泥質(zhì)土為不良地質(zhì)段，需換填砂土。將淤泥全部挖除，分層回填砂土，換填材料采用強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性較好、均勻摻加砂石料的粘土。換填墊層的厚度不宜大于3m，且下部淤泥層覆蓋較薄，深度小于等于2m的淤泥質(zhì)土層，采用換填墊層的方法處理，不同墊層厚度與PCCP管道旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖4。

圖4 墊層厚度與PCCP管道旋轉(zhuǎn)角的關(guān)系

由圖4可知，隨著墊層厚度的增加，PCCP管道旋轉(zhuǎn)角逐漸降低，說明碎石墊層可以有效的將應(yīng)力耗散。在管道施工中鋪設(shè)碎石墊層，可以有效的減小管道轉(zhuǎn)折角，提高管道使用壽命。

2.2 防腐設(shè)計(jì)

根據(jù)PCCP管道鋪設(shè)段地下水和土壤資料，地下水對(duì)混凝土及鋼筋均為無腐蝕，但對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有腐蝕性，所以PCCP管外壁不做防腐蝕處理，但管道承插口采用密封膏密封，防止地下水腐蝕承插口處鋼結(jié)構(gòu)。鋼管內(nèi)防腐層的措施十分重要，它不僅影響管道的使用壽命，而且還影響管道的輸水能力。目前采用較多的鋼管內(nèi)防腐措施主要有水泥砂漿和有機(jī)涂料等。近年來無毒有機(jī)涂料在鋼管內(nèi)防腐中被大量采用，并取得了較好的效果。所以該輸水工程鋼管內(nèi)防腐采用無毒環(huán)氧樹脂涂料防腐。

2.3 試驗(yàn)段現(xiàn)場試驗(yàn)

由于 PCCP管道旋轉(zhuǎn)角只有 0.1°～0.3°，因此可采用剛性防護(hù)措施對(duì)混凝土管道進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)管道受到局部載荷作用時(shí)，剛性保護(hù)層可產(chǎn)生微小形變，抑止旋轉(zhuǎn)角出現(xiàn)。在現(xiàn)場取1400m管線作為研究對(duì)象，管道編號(hào)為26-1250～26-2650，回填土壓實(shí)度為85%，碎石墊層厚度為20cm。施工完成一段時(shí)間后，對(duì)現(xiàn)場PCCP管道旋轉(zhuǎn)角進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。

表1 PCCP管道旋轉(zhuǎn)角監(jiān)測數(shù)據(jù)

從現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果看，管線的平均旋轉(zhuǎn)角最大值為0.8°，平均值為0.55°，與回填土壓實(shí)度為90%相比，平均旋轉(zhuǎn)角增大。對(duì)管線周圍土體進(jìn)行貫入試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不均勻沉降是導(dǎo)致管道旋轉(zhuǎn)的主要原因。由于壓實(shí)度較低，20cm厚度的碎石墊層產(chǎn)生的形變不足以抵消局部載荷，因此應(yīng)在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)土工格柵，提高基底的力學(xué)性能。此外，施工中應(yīng)盡可能的提高回填土的壓實(shí)度，以減小PCCP管道旋轉(zhuǎn)角。圖5給出了間隙為0 cm和間隙為3.8cm的PCCP管口。

圖5 管口處的間隙情況

通過理論分析和試驗(yàn)研究，得出了減小管道旋轉(zhuǎn)角的施工工藝：

（1）在PCCP管道下方鋪設(shè)碎石，在管道側(cè)方設(shè)置砂包角；

（2）土質(zhì)較差時(shí)，應(yīng)鋪設(shè)20cm以上的碎石墊層并設(shè)置土工格柵；

（3）盡可能的提高回填土的壓實(shí)度。

3 結(jié)語

當(dāng)外部載荷較大時(shí)，軟土基發(fā)生塑性形變，同時(shí)由于軟土具有較大的粘度，其經(jīng)常導(dǎo)致管道事故。PCCP管道直徑較大，一般由預(yù)應(yīng)力混凝土制備，具有良好的伸縮性、耐腐蝕性和抗?jié)B能力。本文首先對(duì)PCCP管道工作機(jī)理進(jìn)行研究，分析了旋轉(zhuǎn)角對(duì)運(yùn)行的影響，計(jì)算了 PCCP管道的位移特性。通過現(xiàn)場試驗(yàn)，對(duì)PCCP管道施工工藝進(jìn)行探討，研究表明：鋼板樁撤出后，側(cè)面地基土?xí)?duì)PCCP管道產(chǎn)生側(cè)向壓力，導(dǎo)致出現(xiàn)不均勻水平位移；管道施工中鋪設(shè)碎石墊層，可以有效的減小管道轉(zhuǎn)折角，提高管道使用壽命。

參考文獻(xiàn)

［1］吳海林，冉紅洲，周宜紅.考慮混凝土軟化特性的鋼襯鋼筋混凝土壓力管道承載性能研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2014（06）：1108-1114.

［2］賀杰.淺談大型供水工程科技檔案管理模式［J］.水利建設(shè)與管理，2015（01）：76-78.

［3］孫顯峰.管道陰極保護(hù)防腐措施在大伙房輸水工程中的運(yùn)用［J］.中國水能及電氣化，2015（06）：35-37.

［4］李保華.大口徑PCCP管線承插式絕緣接頭技術(shù)研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（05）：65-66+94.

［5］唐連濤.PCCP插口內(nèi)壁混凝土環(huán)裂形成機(jī)理及控制措施研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015（05）：67-69.

［6］武立強(qiáng).用早齡期法推定PCCP管芯混凝土 28d抗壓強(qiáng)度［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2015（03）：60-62+98.

［7］喬裕民，侯仰增，畢士君，金曉鴻.PCCP管道外防腐涂料消耗量計(jì)算方法的探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013（04）：59-61+77.

［8］于龍.關(guān)于PCCP管道采購招標(biāo)控制價(jià)編制的探討［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014（06）：27-29.

中圖分類號(hào)：TV672+.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1008-1305（2016）02-0045-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.020

收稿日期：2015-08-26

作者簡介：周立坤（1980年—），男，工程師。