平山供水應(yīng)急搶險工程方案比選與工程布置探析

魏 巍

(葫蘆島平山供水有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

平山供水應(yīng)急搶險工程方案比選與工程布置探析

魏 巍

(葫蘆島平山供水有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125000)

工程區(qū)位于葫蘆島市興城市二道邊村，由于過河段管線下游常年采砂，近年河床下切約2m，與平山水源建設(shè)期相比河床下切約3m；管道裸露部分埋深不滿足抗浮要求，過水路面壓覆段臨近主河床側(cè)的玻璃鋼管出現(xiàn)多處彎折和裂縫。目前，平山水源工程穿越興城河段管道整體埋深偏小，不能滿足抗浮和抗凍要求，且此段過河管道已多處存在傷患，歷年來采取的臨時防護(hù)工程未能徹底解決過河管道的供水安全。文章針對該管道的現(xiàn)狀對應(yīng)急搶險工程進(jìn)行了方案對比分析，選擇了工程建筑物并對建筑物進(jìn)行了布置。

供水管道；應(yīng)急搶險；方案比選；工程布置；建筑物型式

1 工程概況

工程區(qū)位于葫蘆島市興城市二道邊村，氣候類型為溫帶大陸性氣候，冬季以西北季風(fēng)為主，嚴(yán)寒干燥，最冷為一月，最低氣溫達(dá)-27 C°，夏季以東南季風(fēng)為主，炎熱多雨，最熱七月，最高氣溫達(dá)41 C°。多年平均降水量為592mm，降雨期集中在7、8月份，占全年降水量的55%左右。霜期一般從10月上旬開始至來年3月中旬結(jié)束，最大凍土深度為1.3m，多出現(xiàn)在1、2、3月份。標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為1.0m。本區(qū)地貌單元為侵蝕堆積地形-山間坡洪積谷地-爪狀谷地貌，地形較平坦，地勢開闊。穿越段地面高程28.1-32.4m?？辈靾鰠^(qū)的地下水類型為第四系孔隙潛水，主要受大氣降水和邊頭子北河水補(bǔ)給，季節(jié)性變幅較大。管道深埋穿越興城河段，改線段原管道長約431.1m，改線起、止點位于河道兩岸的耕地內(nèi)，改線管道在原管線位置的河道上游15m，平行原管線布置，改線管道管材更換為球墨鑄鐵管，改線后初步估算長度443.5m，在河流兩岸堤防外設(shè)置檢修閥門井和空氣閥井[1]。

2 工程任務(wù)和規(guī)模

興城河原河寬約120m，2012年“8·04”洪水致使河道左岸拓寬50m(原為百姓耕地)，埋設(shè)在左岸段的DN1000玻璃鋼供水管線被洪水沖斷，過河檢修閥井毀壞。主要搶險工程內(nèi)容為：對沖斷的玻璃鋼管線安裝、管線兩側(cè)澆筑混凝土U型槽進(jìn)行支撐；過河檢修閥井取消，爬坡彎頭處澆筑鎮(zhèn)墩；過河處管線左岸邊坡修建漿砌石防護(hù)擋墻并在管線下游與原有防護(hù)墻連接。2016年7月20至21日，葫蘆島地區(qū)普降大暴雨，境內(nèi)大小河流普遍發(fā)生洪水。致使興城河過河管線下游修建的原防護(hù)擋墻及護(hù)坦全部沖毀，管道底部澆筑的混凝土U型槽沖塌，管道上石籠防護(hù)及覆蓋層全部沖走，其中80m箱涵頂蓋缺失并且河道左側(cè)40余米管道裸露懸空。強(qiáng)降雨過后，平山公司組織人員第一時間對該處進(jìn)行了臨時防護(hù)。管道裸露段長約40m，該段管道為180°混凝土包角基礎(chǔ)。

由于過河段管線下游常年采砂，近年河床下切約2m，與平山水源建設(shè)期相比河床下切約3m。受2016年的“7·20”洪水嚴(yán)重沖刷，過河段210m長DN1000玻璃鋼管線裸露。9月1日在供水7.5萬t時，此段供水管道箱涵部位玻璃鋼管道發(fā)生爆管，平山公司連夜對其進(jìn)行搶修糊補(bǔ)。9月2日此段長約40m在過水路面下管道，因裸露部分埋深不滿足抗浮要求，過水路面壓覆段臨近主河床側(cè)的玻璃鋼管出現(xiàn)多處彎折和裂縫，經(jīng)搶修后恢復(fù)供水。目前平山水源工程穿越興城河段管道整體埋深偏小，不能滿足抗浮和抗凍要求，且此段過河管道已多處存在傷患，歷年來采取的臨時防護(hù)工程未能徹底解決過河管道的供水安全?？紤]地方交通部門在管線穿河位置規(guī)劃修建交通橋?qū)⒓觿≡撎幒哟驳臎_刷，橋梁建成后將進(jìn)一步影響過河管道的供水安全，鑒于平山水源工程在葫蘆島市供水工程中的重要性和平山水源的供水安全，對興城河段過河管線進(jìn)行應(yīng)急加固處理是非常必要的。

3 應(yīng)急搶險方案選擇

3.1 應(yīng)急搶險方案

平山供水穿越興城河段管道前期防護(hù)方案比選階段，經(jīng)與平山供水產(chǎn)權(quán)管理單位協(xié)商，供水工程穿越興城河段管道采取兩種方案進(jìn)行加固。

方案1：過河段改線換管并深埋方案?？紤]河道下游側(cè)25m布置有青山水庫供水工程的一條管道，本工程過河管道向河道上游側(cè)改線，管材更換為鋼管或鑄鐵管。本方案缺點是工期較長，河床內(nèi)溝槽開挖施工較困難，見圖1。

圖1方案1穿河管道改線深埋布置圖

方案2：原過河管道全河段鉛絲石籠鋪蓋防護(hù)。本方案缺點是受管道現(xiàn)狀埋深限制，過河管道全斷面鋪底后將局部抬高河底高程，影響該斷面河道過流能力，抬高河床加劇對兩岸邊坡的沖刷，當(dāng)?shù)卮迕褚蠼乖谠摱魏拥纼?nèi)修建高出現(xiàn)有河床的工程措施，全斷面鋪底方案阻工風(fēng)險較大。建議鋪底同時對該段河道進(jìn)行河岸整治，避免管道加固后壅水，影響兩岸耕地安全，引起地方糾紛和賠償。另外，當(dāng)?shù)亟煌ú块T規(guī)劃在管線穿河位置原有過水路面處新建交通橋，橋梁建成后加劇管線處河道下游沖刷破壞，將增大鋪蓋防護(hù)范圍，由于河道下游采砂對該處的影響難以量化，鋪蓋防護(hù)的耐久性較難保證[2]。

圖2方案2鋪蓋防護(hù)工程典型斷面圖

3.2 方案比選

方案1改線深埋穿越興城河段，改線段原管道長約431.1m，改線起、止點位于河道兩岸的耕地內(nèi)，改線管道在原管線位置的河道上游15m，平行原管線布置，改線管道管材更換為球墨鑄鐵管，改線后初步估算長度443.5m。為以后檢修、維護(hù)方便在河流兩岸堤防外設(shè)置檢修閥門井，內(nèi)設(shè)DN1000手動蝶閥。管道改線前應(yīng)探挖原玻璃鋼管道的承插接口位置[3]。

方案1初估工程總投資324.77萬元，過河管道改線深埋可徹底解決現(xiàn)狀管道埋深淺，抗浮、抗凍不足問題，且深埋管道考慮了未來新建交通橋的沖刷影響，避免了搶險加固后可能發(fā)生的二次破壞[4]。

方案2石籠鋪蓋防護(hù)，管道過河段管頂回填粒徑<20mm的河床料，壓實相對密度≥0.7，管頂填筑厚度≥0.3m，管頂填筑寬度5.0m，下游側(cè)回填坡度1∶4，回填完畢后采用鉛絲石籠鋪蓋進(jìn)行防護(hù)，石籠下設(shè)400g/m2的土工布做反濾層，海漫出口設(shè)拋石護(hù)底。

方案2初估工程總投資315.39萬元，鋪蓋方案是對現(xiàn)有過河管道進(jìn)行鋪蓋防護(hù)，工程實施后將抬高現(xiàn)有過河段河床高程，形成局部壅水，隨著下游采砂影響，將進(jìn)一步加大該段河道的落差，加劇兩岸沖刷破壞。

3.3 推薦方案

綜合以上所述，方案1投資較高，但過河管道改線深埋對周邊環(huán)境影響較小，且埋深同時考慮了未來新建交通橋的影響，徹底解決過河段管道供水安全問題，因此，本設(shè)計推薦方案1采用改線深埋穿越興城河。

4 建筑物型式

平山供水工程全線為有壓流輸水，供水管徑DN1.0m，管道設(shè)計工作壓力0.8MPa。原過河段管道為玻璃鋼管，采用改線深埋加固方案，主要考慮改線管道主河床段施工時不影響原管道正常供水，僅在接管時短期停水，因此，改線管道需向河道上游平移15m，以保證主河床段管道敷設(shè)時,溝槽開挖邊界距離原管道至少2m的安全距離。典型斷面圖見圖3。

圖3 穿河管道改線深埋典型斷面圖

4.1 改線管道總布置

平山供水興城河段應(yīng)急搶險工程采用改線深埋換管方案，改線管道向河道上游方向平移15m，改線段原長度431.1m，改線后初步估算長度443.5m。新建管道采用深埋方式穿河，考慮檢修需要兩岸分別布置1座DN1.0m檢修閥井(樁號為0+046.21、0+397.25)。原管道在該位置右岸布置1座排泥三通、左岸布置1座空氣閥井，根據(jù)兩岸地形條件，改線管道不再布置排泥閥井，僅在左岸新建空氣閥井(0+391.25)1座。

4.2 管道選型

平山水源應(yīng)急搶險改線管道公稱管徑DN1.0m，輸水內(nèi)壓0.8MPa，管道用于興城河穿越，埋深1.5-8.9m，深埋段位于主河床段且嵌巖埋設(shè)，結(jié)合各種管材的特點及適用性，本工程可選的管材為鋼管和球墨鑄鐵管，同時考慮2種管材的施工、防腐、運(yùn)輸、損耗等綜合因素[5]。

4.2.1 技術(shù)比較

1)鋼管：①鋼管管材承壓能力高，機(jī)械強(qiáng)度好；可焊性方便，適應(yīng)地形能力強(qiáng)。②鋼管防滲性好，施工經(jīng)驗豐富；生產(chǎn)制造廠家多，管材來源豐富，可保證價格合理，滿足工程需要。③鋼管耐腐蝕性差，接口部位需現(xiàn)場做內(nèi)外防腐處理，施工質(zhì)量難以控制。鋼管對環(huán)境溫度適應(yīng)能力差，不宜在高溫天氣及寒冷氣候下作業(yè)。④使用壽命受環(huán)境因素影響大，而且維修費(fèi)用高。

2)球墨鑄鐵管：①球墨鑄鐵管管材承壓能力高，機(jī)械強(qiáng)度好。②承插式接口安裝便利，施工速度快。③小管徑施工經(jīng)驗豐富，生產(chǎn)制造廠家多。④球墨鑄鐵管耐腐蝕性較好。

3)管材技術(shù)比較結(jié)論：本工程管道為過河段有壓流輸水，管線的工作壓力(0.8MPa)較高，過河管道受季節(jié)和汛期影響要求工期短，因此應(yīng)選擇在滿足內(nèi)壓的情況下，管材施工容易、抗外壓能力強(qiáng)的管材。通過以上比較認(rèn)為鋼管和鑄鐵管均適用于本工程，但鑄鐵管在施工速度和后期維護(hù)上更有優(yōu)勢[6]。

4.2.2 經(jīng)濟(jì)比較

考慮管道管材采購和安裝費(fèi)用，進(jìn)行綜合經(jīng)濟(jì)分析，本過河工程2種管材的工藝工程量的綜合造價(包括管材價格和安裝價格、防腐價格)，其結(jié)果見表1和表2。

表1 鋼管工藝設(shè)備工程投資

續(xù)表1 鋼管工藝設(shè)備工程投資

表2 球墨鑄鐵管工藝設(shè)備工程投資

本工程鋼管采購及安裝投資113.42萬元，每米綜合造價2557.65元/m；球墨鑄鐵管采購及安裝投資102.09萬元，每米綜合造價2302.07元/m。

4.2.3 管材結(jié)論

綜合以上，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩個方面看，球墨鑄鐵管可以滿足本工程的性能要求，也是較經(jīng)濟(jì)的選擇，因此本工程推薦球墨鑄鐵管。

5 輸水管道改線工程

5.1 管道覆土深度確定

興城河段改線管道覆土的確定主要從3個方面考慮：①管道的防凍問題；②管道的抗浮問題；③管道抗沖刷。

供水管道抗凍埋深。工程區(qū)最大凍土深度為1.3m，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度1.0m，管道埋設(shè)于最大凍深以下可滿足抗凍要求。

供水管道抗浮埋深。按著地下水水位達(dá)到地面工況時，對鋼管、鑄鐵管計算抗浮所要求的管頂最小覆土深度，其結(jié)果見表3、表4，抗浮安全系數(shù)取1.1。

表3 鑄鐵管(K9)抗浮要求最小覆土

表4 鋼管(d=15mm)抗浮要求最小覆土

由表2 和表3可知，管道埋深>0.8m即可滿足抗浮要求。

供水管道抗沖刷深度。在改線管道所處位置，當(dāng)?shù)亟煌ú块T規(guī)劃新建交通橋，按100a一遇洪水條件下，新建橋橋下計算可能最大沖刷深度為5.14m。由于平山管線所在位置附近最深河底高程為27.50m(XCH7)，計算止沖高程應(yīng)為22.36m，該處基巖頂高程約為23.21-22.9m。最深沖刷線位于巖面下以下，管道按嵌巖埋設(shè)，管道嵌入巖面線以下≥0.8m，過河段管道最低管中心高程22.4m，此時管道最小埋深4.4m，最大埋深位于穿堤段為8.9m。

5.2 溝槽開挖與回填設(shè)計

5.2.1 溝槽開挖

溝槽開挖分土方開挖和巖石開挖，土方開挖邊坡1∶1.5，巖石開挖邊坡1∶0.5，土石分界處預(yù)留1.5m寬馬道。根據(jù)GB 50268-2008規(guī)定，管道每側(cè)預(yù)留0.5m作業(yè)面，管溝底寬2.048m。

5.2.2 溝槽回填

管道基礎(chǔ)為強(qiáng)風(fēng)化巖石，管底預(yù)留0.2m厚中粗砂墊層。

過河段管道最大埋深8.9m，因管道剛度要求，當(dāng)管道埋深>4.5m時(樁號0+065.81-0+378.69m)，管區(qū)回填最大粒徑≤40mm的級配砂夾石，其中5-40mm粒徑碎石或礫石含量≥40%，不得含有細(xì)粒土；當(dāng)管道埋深<4.5m時，管區(qū)回填最大粒徑≤40mm的開挖料，填料應(yīng)選用砂夾石類混合土料。管區(qū)壓實度≥95%。

管頂以上部位回填開挖料，壓實度≥90%。位于耕地范圍的管溝回填，地表應(yīng)做好復(fù)耕作業(yè)。

5.2.3 管道防腐

管道防腐綜合考慮耐久性和深埋段管道剛度要求，采用涂料防腐。球墨鑄鐵管內(nèi)壁防腐采用環(huán)氧樹脂粉末涂層，外壁防腐采用噴鋅+環(huán)氧樹脂粉末。

5.2.4 輸水管道附屬設(shè)施設(shè)計

檢修閥井。檢修閥布置在河道兩岸的閥井內(nèi)，樁號分別為0+046.21m、0+397.25m，檢修閥井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸2.2×3×3.5m(長×寬×高)。

空氣閥井?？諝忾y布置在河道左岸樁號0+391.25處的閥井內(nèi)，管道排氣閥與管道檢修進(jìn)人孔結(jié)合?？諝忾y井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并且內(nèi)外做防水處理，閥井尺寸3m×2.4m×3m(長×寬×高)，井口采用保溫措施。排氣閥井內(nèi)設(shè)1個DN150排氣閥。

工程選用排氣三通規(guī)格為DN1000/dn150。

鎮(zhèn)、支墩。由于管道內(nèi)壓較高、管徑較大，在管道轉(zhuǎn)彎處、檢修隔斷閥、連通閥處將產(chǎn)生很大的集中力，為確保兩管節(jié)甚至多管節(jié)間不脫開，對管道45°水平彎頭、22.25°、22.5°垂直向下彎頭、22.5°、22.86°垂直向上彎頭處均采用C25 F50混凝土支墩，在檢修閥門井處，為防止因為軸向力的作用造成管節(jié)間脫開。采用C25 F50混凝土鎮(zhèn)墩對閥門固定。水平向支墩設(shè)計以被動土壓力來計算土壤反力，以這種反力來平衡異形管傳給支墩的外推力，并通過這樣的平衡試算，來確定支墩的高度和長度。水平向支墩承受的水壓合力，其大小應(yīng)小于支墩后背被動土壓力和支墩底面摩擦力之和。但為了防止墻后土體發(fā)生剪切破壞，止推墩處的溝槽深度必須大于止推墩的兩倍，同時由于埋于地下的管道支墩只是作為傳力的一種媒介，必須砌筑在管壁和未動土壤之間。垂直向上彎管支墩承受的水壓合力產(chǎn)生的向下垂直分力和支墩自重由支墩底地基土承受，其水平分力應(yīng)小于支墩后背被動土壓力和支墩底面摩擦力之和。垂直向下彎管支墩承受的水壓合力產(chǎn)生的向上垂直分力應(yīng)不大于支墩自重及支墩上的覆土重，并且按照向上垂直分力的大小計算彎管和支墩間的鋼筋用量，其水平分力應(yīng)小于扣除向上垂直分力后支墩自重及支墩上覆土重所產(chǎn)生的地面摩擦力。被動土壓力按照郎肯土壓力理論計算。檢修閥門井處鎮(zhèn)墩設(shè)計按摩擦力進(jìn)行設(shè)計。鎮(zhèn)支墩設(shè)計安全系數(shù)取為1.5。當(dāng)鎮(zhèn)支墩尺寸>8m時，在其長度方向的鎮(zhèn)支墩表面雙向布置φ10@150溫度應(yīng)力鋼筋。

6 結(jié) 語

綜合以上，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)兩個方面看，球墨鑄鐵管可以滿足本工程的性能要求，也是較經(jīng)濟(jì)的選擇，因此平山供水興城河段應(yīng)急搶險工程推薦球墨鑄鐵管。同時也對該工程的建筑物布置進(jìn)行了詳細(xì)分析，為該工程建設(shè)提供了詳實的數(shù)據(jù)參考依據(jù)，為工程建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)保障。

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TV697.1

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1007-7596(2017)09-0116-03

2017-08-28

魏巍(1982-)，男，遼寧桓仁人，助理工程師，研究方向為水利工程。