(唐山市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,河北 唐山 063000)
豐南區(qū)城區(qū)至豐南經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)臨港經(jīng)濟(jì)園中水引水工程主要為臨港經(jīng)濟(jì)園各企業(yè)提供生產(chǎn)用水,保證企業(yè)的用水安全,建設(shè)規(guī)模為12萬(wàn)m3/d,管道單排鋪設(shè),長(zhǎng)度為41.1km,采用DN1200球墨鑄鐵管,工作壓力為0.8MPa。
該工程主管材采用T型接口球墨鑄鐵管,長(zhǎng)距離輸水管道的平面及豎向轉(zhuǎn)角均較多,管道內(nèi)有壓水流對(duì)彎頭處產(chǎn)生的較大推力造成管道接口處松動(dòng)、脫落等嚴(yán)重后果。因此,在彎頭處需要采用一定的工程措施以保證管道的安全運(yùn)行。
對(duì)于深埋地下的管道,推力約束的實(shí)現(xiàn)方式是把推力分散傳遞到管道外的土體中,既要保證推力分散到土壤體系中,又要保證約束措施安全無(wú)損壞,管道的T型接口不發(fā)生分離。在設(shè)計(jì)中常用的約束形式如下:
a.在彎頭處設(shè)置支墩。
b.在彎頭前、后一定距離將管道更換為鋼管。
c.在彎頭前、后一定距離將管道接口形式更換為自錨接口。
支墩是重要的管道附屬構(gòu)筑物,支墩處所受約束力其一為支墩底面與土壤的摩擦力,其二為彎頭兩邊的管道與土體之間的被動(dòng)土壓力。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),先選取支墩的結(jié)構(gòu)型式及尺寸,再根據(jù)管道設(shè)計(jì)壓力、地下水情況、土壤等效內(nèi)摩擦角等參數(shù)對(duì)支墩進(jìn)行推力穩(wěn)定驗(yàn)算,滿足條件即可。具體結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1~圖3。支墩材料選用C15混凝土。
圖1 水平支墩結(jié)構(gòu)尺寸 (單位:mm)
圖2 垂直向上彎頭支墩結(jié)構(gòu)尺寸 (單位:mm)
圖3 垂直向下彎頭支墩結(jié)構(gòu)尺寸 (單位:mm)
在地基承載力滿足條件的情況下,支墩的設(shè)置可以很好地將水流變化產(chǎn)生的推力傳遞至土壤中,使運(yùn)行安全可靠。但設(shè)置支墩需要較大的工作面,土方工程量增大,支墩混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)均需要時(shí)間,不適用工期緊張的工程。
將彎頭處球墨鑄鐵管局部更換為鋼管,鋼管采用焊接的連接方式,這樣就使彎頭局部鋼管形成一個(gè)連續(xù)體,避免了接口損壞的發(fā)生。根據(jù)管道轉(zhuǎn)彎角度,彎頭一側(cè)需改換鋼管的最小長(zhǎng)度可按《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 彎頭處鋼管最短鋪設(shè)長(zhǎng)度
彎頭局部更換鋼管不增加占地面積,彎頭管件的角度易加工,施工便利,適應(yīng)性強(qiáng),對(duì)工期有利。鋼管抗腐蝕性能較差,需做內(nèi)外防腐。此次設(shè)計(jì)中采用DN1200 TPEP鋼管。
自錨接口是能夠提供軸向約束的特殊滑入式接口,通過(guò)自錨接口使管道連接成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng),利用系統(tǒng)與土壤之間的阻力來(lái)抵消管道內(nèi)液體產(chǎn)生的推力,以保證管道運(yùn)行過(guò)程中接口不發(fā)生分離。
球墨鑄鐵管自錨接口適用于彎頭處沒(méi)有條件設(shè)置支墩或者工期緊張的工程。在此次引水工程中采用內(nèi)自錨接口,該接口形式在管道承口端設(shè)置密封腔和擋塊倉(cāng)兩個(gè)環(huán)形腔,密封腔安裝密封膠圈,擋塊倉(cāng)安裝自錨擋塊,在插口端設(shè)置焊環(huán),利用自錨擋塊與焊環(huán)進(jìn)行推力傳遞。接口安裝簡(jiǎn)便,同時(shí)又提高了管道的抗拔脫性能。管道可以通過(guò)接口處的偏移角實(shí)現(xiàn)角度借轉(zhuǎn),對(duì)地基變形的適應(yīng)性好。
取自錨系統(tǒng)作為研究對(duì)象,對(duì)其受力進(jìn)行分析。該系統(tǒng)受到的主動(dòng)力為管道過(guò)水截面上受到的設(shè)計(jì)壓力的合力,在管道安裝剛結(jié)束時(shí),管道與土壤配合的穩(wěn)定性是最差的,此時(shí)進(jìn)行打壓試驗(yàn)的壓力即為設(shè)計(jì)壓力。水平及豎直向上彎頭的約束力由兩部分組成,其一為管道外壁與土壤的摩擦力,其二為管道與土體之間的被動(dòng)土壓力;豎直向下彎頭的約束力為管道外壁與土壤的摩擦力。
根據(jù)管道轉(zhuǎn)彎角度,彎頭兩端自錨管最短鋪設(shè)長(zhǎng)度計(jì)算參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 水平及豎直彎頭處自錨管最短鋪設(shè)長(zhǎng)度
以上三種推力約束形式在管道輸水工程中均有過(guò)應(yīng)用,實(shí)踐表明都是安全可行的。在進(jìn)行方案選擇之前,對(duì)三種約束方式的工程造價(jià)進(jìn)行對(duì)比,具體見(jiàn)表3。
表3 三種約束方式的工程造價(jià)對(duì)比
通過(guò)工程造價(jià)比較可知,彎頭角度越大,工程造價(jià)越高,尤其是大于45°的彎頭單個(gè)工程造價(jià)均高于30萬(wàn)元。
此次工程中平面彎頭角度多數(shù)在45°以上,對(duì)工程方案的經(jīng)濟(jì)性有重要影響,因此選擇造價(jià)最低的混凝土支墩。而豎向彎頭的角度均小于45°,為保證工期,此次工程中豎向彎頭不采用混凝土支墩。對(duì)TPEP鋼管與自錨接口球墨鑄鐵管進(jìn)行比較,考慮到管材的一致性對(duì)管材采購(gòu)及后期輸水運(yùn)行管理較為有利,因此豎向彎頭采用自錨接口的球墨鑄鐵管。
通過(guò)分析比選,最終方案為平面彎頭采用混凝土支墩,豎向彎頭采用自錨接口的球墨鑄鐵管,該方案有效結(jié)合了兩種約束的優(yōu)點(diǎn),既加快了施工進(jìn)度,又降低了工程造價(jià)。
引水管道彎頭處的推力約束設(shè)計(jì)是引水工程設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)三種推力約束形式的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較,最終采用了自錨接口球墨鑄鐵管與混凝土支墩相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案,有效解決了工程工期要求緊與方案經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾。目前工程已經(jīng)在緊張的施工中,建成后必將為用水企業(yè)提供供水保障,有力促進(jìn)園區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)。
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