濕陷性黃土地區(qū)大管徑PCP供水管道水壓試驗(yàn)分析

白彥剛（陜西省涇惠渠管理局　陜西　三原　713800）

濕陷性黃土地區(qū)大管徑PCP供水管道水壓試驗(yàn)分析

白彥剛
（陜西省涇惠渠管理局陜西三原713800）

本文詳細(xì)分析了渭北工業(yè)園供水項(xiàng)目輸水管道的設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)及水壓試驗(yàn)過程，確保了濕陷性黃土地區(qū)PCP管道地基處理的安全性，為同類供水工程提供了參考依據(jù)。

地基處理；大管徑PCP供水管道；水壓試驗(yàn)

1　工程概況

渭北工業(yè)園灣子水廠供水工程跨越咸陽(yáng)市三原縣與西安市高陵區(qū)，位于渭河北岸一級(jí)階地，管道采用寧夏青龍管業(yè)股份有限公司生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土管，簡(jiǎn)稱PCP管，規(guī)格為 DN2000×0.4MPa× 5000mm/H2。管道接口為承插式，止水密封采用滾動(dòng)式O型橡膠圈。管線由北向南布設(shè)，全長(zhǎng)5.606km，起點(diǎn)高程為412.80m，末端高程為404.40m。該段管道的工作壓力為0.15MPa，根據(jù)GB50268—2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，預(yù)應(yīng)力混凝土管當(dāng)工作壓力不大于0.6MPa時(shí)，其試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.5倍，所以試驗(yàn)壓力為0.225MPa。

2　地質(zhì)評(píng)價(jià)及管道設(shè)計(jì)

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，管道地基為③（Q4al+pl）粉質(zhì)壤土，干密度平均值ρ=1.52g/cm3，滲透系統(tǒng)k=2.07×10-5cm/s～4.15×10-5cm/s，壓縮系數(shù)α1-2=0.51MPa-1，壓縮模量Es=4.36MPa，具有高壓縮性，地基承載力特征值fak=120MPa。該段地基為非自重濕陷性，濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)，濕陷起始?jí)毫ζ骄?10KPa，濕陷土厚度為7m～8m。地下水位位于管基影響范圍以下，不存在粉質(zhì)壤土的震陷問題。結(jié)合地質(zhì)報(bào)告和設(shè)計(jì)優(yōu)化，管床基礎(chǔ)土墊層壓實(shí)系數(shù)不小于0.95，3∶7灰土分層夯實(shí)、壓實(shí)系數(shù)不小于0.95。管道包管混凝土為120°角設(shè)計(jì)。管溝采用分區(qū)回填方式。斷面設(shè)計(jì)圖見圖1。

3　水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1后背墻驗(yàn)算

當(dāng)堵板傳遞給后背墻的作用力與后背墻被動(dòng)土壓力重合時(shí)，后背墻土體壁面承受的外力擠壓按郎金被動(dòng)土壓力計(jì)算：

式中：Ep——后背墻每米寬度上的被動(dòng)土壓力（kN/m）；

γ——后背土的重力密度（kN/m3），根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，管溝開挖范圍內(nèi)為粉質(zhì)壤土，取15.0kN/m3；

H——后背墻高度（m）為4.5m；

h——后背墻頂端至地面高度（m）為1.0m。

Kp——被動(dòng)土壓力系數(shù)，按下式計(jì)算：

φ——根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告后背土體的內(nèi)摩擦角為21°；

c——后背土體的粘聚力29kpa= 29kN/m2；

根據(jù)以上計(jì)算：

因管道傳遞給后背的作用力R等于試壓管段管端承受的壓力P，所以P可由下式計(jì)算：

P=Psπr2=0.225MPa×3.14×（1000mm）2= 706.5kN

P——試壓管段管端承受的壓力；—試驗(yàn)壓力（N/mm2）；—管道內(nèi)徑（mm）；

圖1　預(yù)應(yīng)力鋼筋砼管道橫斷面圖

（1）后背墻受力寬度

式中：B——后背受力寬度，m；

R——管堵傳遞給后背的作用力，kN；

Ep——后背墻每米寬度上的被動(dòng)土壓力，kN/m；

2.0—安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算：

（2）后背土層長(zhǎng)度

經(jīng)計(jì)算：

式中：L——沿后背受力方向長(zhǎng)度，m；

LR——附加安全長(zhǎng)度，m；取0.5m。

試驗(yàn)中后背墻沿橫向和立向安放兩排4m×0.25m×0.25m枕木，再在枕木前安放2.5m×2.5m加肋鋼板作受力壁板，鋼板厚度為25mm，肋板為80mm×40mm× 1000mm，以壁板中心為圓心向八個(gè)方向?qū)ΨQ焊接。后背土體壁面應(yīng)與后背鋼板貼緊，有孔隙時(shí)應(yīng)用砂石料填塞且夯實(shí)。試壓時(shí)千斤頂垂直安裝在管道盲板中心與壁板中心。為防止鋼木結(jié)構(gòu)受力變形超過管道接口允許位移量，千斤頂要隨鋼木結(jié)構(gòu)變形量增加而頂伸。

3.2堵板設(shè)計(jì)

試驗(yàn)管段所有管口用臨時(shí)堵板進(jìn)行封堵，對(duì)堵板厚度按試驗(yàn)壓力進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，以防止堵板變形水壓試驗(yàn)失敗。水壓試驗(yàn)臨時(shí)堵板厚度計(jì)算按以下公式進(jìn)行：

式中：［σ］——材料許用應(yīng)力，［σ］20℃= 12.4kg/mm2；

η——基本應(yīng)力修正系數(shù)，η=1.05；

P——水壓實(shí)驗(yàn)最高允許壓力，MPa；

D——堵板內(nèi)徑，mm；

K——堵板系數(shù)，K=0.45；

S——堵板厚度，mm；

本工程壓力管道段最大試驗(yàn)壓力為0.225MPa，經(jīng)計(jì)算堵板驗(yàn)算厚度為 S為11.8mm，實(shí)際使用鋼板厚度為25mm。

4　水壓試驗(yàn)

根據(jù)GB50268—2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，給排水管道安裝完成后進(jìn)行功能性試驗(yàn)，試驗(yàn)合格的判斷依據(jù)分為允許壓力降值和允許滲水量值，本工程根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇允許壓力降值作為試驗(yàn)合格的判斷依據(jù)，且管道在出廠前進(jìn)行了單根管道出廠水壓試驗(yàn)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定在試驗(yàn)過程中可免去預(yù)試驗(yàn)階段，直接進(jìn)行主試驗(yàn)。主試驗(yàn)階段，停止注水補(bǔ)壓，在試驗(yàn)壓力下穩(wěn)定15min，當(dāng)15min后，壓力降不超過0.03MPa時(shí)，將試驗(yàn)壓力降至工作壓力并保持恒壓30min，進(jìn)行外觀檢查若無漏水現(xiàn)象則水壓試驗(yàn)合格。

4.1材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料及設(shè)備詳見表1。

表1　　試驗(yàn)材料及設(shè)備

表2水壓試驗(yàn)記錄

4.2試驗(yàn)過程

輸水管線分多段進(jìn)行水壓試驗(yàn)，分段長(zhǎng)度均控制在1km以內(nèi)，試驗(yàn)用的壓力表經(jīng)過校驗(yàn)，精度不低于1.5級(jí)，量程為0MPa～1.0MPa，最小刻度為每格讀數(shù)0.001MPa。試驗(yàn)中使用2塊壓力表，打壓端及末端（排氣端）各一塊。電動(dòng)試壓泵工作壓力應(yīng)能滿足試驗(yàn)壓力的要求，加壓泵、壓力表均應(yīng)安裝在試驗(yàn)段下游端部與管道軸線垂直的支管上。管道注水時(shí)，打開排氣閥門和進(jìn)口處的法蘭，從管道下游用水泵注水，使管道內(nèi)的氣體從上端排除。管道注水時(shí)水流速度不可太快，應(yīng)使管道的進(jìn)水量與排氣量相匹配，如進(jìn)水量太大而排氣少時(shí)，管道內(nèi)氣體會(huì)形成氣囊影響水壓試驗(yàn)效果。管線注水完成后，根據(jù)規(guī)范要求，需充分浸泡72小時(shí)后，開始用試壓泵對(duì)管線進(jìn)行升壓。升壓前關(guān)閉相關(guān)排氣閥，升壓時(shí)壓力應(yīng)緩慢上升，在管線壓力達(dá)到75%以前，升壓速率不大于0.1MPa/min，在壓力達(dá)到95%以后，升壓速率應(yīng)小于0.01MPa/min。當(dāng)升壓至試驗(yàn)壓力的50%時(shí)，穩(wěn)壓15min，觀察管道有無泄漏，壓力有無明顯下降，當(dāng)壓力表讀數(shù)正常時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行升壓，每升一級(jí)均要檢查后背、管身及接口，當(dāng)確定無異常后，才能繼續(xù)升壓。當(dāng)管道壓力升至試驗(yàn)壓力后，關(guān)停試壓泵，拆開相關(guān)的注水軟管，并靜止一段時(shí)間（約1h），等管線內(nèi)的壓力平衡并穩(wěn)定后，要在試驗(yàn)壓力下穩(wěn)壓30min，期間如有壓力下降可注水補(bǔ)壓，但不得高于試驗(yàn)壓力。試壓完成后，管線的卸壓要緩慢進(jìn)行，卸壓速率不大于0.1MPa/min。詳細(xì)水壓試驗(yàn)記錄見表2。

4.3注意事項(xiàng)

水壓試驗(yàn)具有一定的危險(xiǎn)性，存在不安全因素，因此水壓試驗(yàn)應(yīng)做好方案，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)安全管理工作，由專人統(tǒng)一指揮，明確分工，統(tǒng)一安排，要求后背、接口、排氣等特殊部位有專人負(fù)責(zé)檢查，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)明確規(guī)定的聯(lián)絡(luò)信號(hào)，水壓試驗(yàn)區(qū)域周圍設(shè)置安全圍欄或警戒標(biāo)識(shí)，嚴(yán)禁試驗(yàn)無關(guān)人員進(jìn)出該區(qū)域。

5　結(jié)論

渭北工業(yè)園灣子水廠供水工程通過設(shè)計(jì)優(yōu)化確保了濕陷性黃土地區(qū)PCP管道地基處理的安全性，施工過程中嚴(yán)格控制好管道的進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收及安裝，并對(duì)每一個(gè)止水密封圈進(jìn)行安裝檢查和記錄，保證了管道各分段水壓試驗(yàn)均一次試壓成功，對(duì)大管徑PCP供水管道的應(yīng)用有一定的實(shí)踐意義。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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