PCCP輸水管道預(yù)制靠背法靜水壓試驗(yàn)施工技術(shù)

馬占旭

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院）

PCCP有壓輸水管道在完成安裝后，為了檢驗(yàn)在規(guī)定內(nèi)水壓作業(yè)下的嚴(yán)密性和安全可靠性，需要進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)。靜水壓試驗(yàn)需分段進(jìn)行，分段長度不宜超過10 km。在充分證明方案安全、可靠的前提下，預(yù)制鋼筋混凝土靠背相對現(xiàn)澆混凝土靠背（或鎮(zhèn)墩），不會(huì)因混凝土齡期較長而影響施工進(jìn)度，且能周轉(zhuǎn)使用，降低很多費(fèi)用。

靜水壓試驗(yàn)采用預(yù)制鋼筋混凝土靠背及背后原狀土（部分回填壓實(shí)土）進(jìn)行止推施工時(shí)，要根據(jù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力計(jì)算靠背受力情況，確定千斤頂頂力配制、靠背尺寸及背后原狀土體長度，并按要求預(yù)制鋼筋混凝土靠背。預(yù)制鋼筋混凝土靠背完成后，靜水壓試驗(yàn)的主要施工工序?yàn)椋汗軆?nèi)清理檢查→安裝堵板、靠背→管內(nèi)注水、浸泡→安裝加壓設(shè)備→預(yù)試驗(yàn)→允許壓力降試驗(yàn)→允許滲水量試驗(yàn)→卸壓、排水→臨時(shí)裝置拆除。

1 靜水壓試驗(yàn)總體要求

PCCP管道靜水壓試驗(yàn)的目的，主要是為了檢驗(yàn)輸水管道在規(guī)定內(nèi)水壓作業(yè)下的嚴(yán)密性和安全可靠性，不僅可用于檢驗(yàn)主管線，也可用于與之相配套的支管線、閥門及其他配套設(shè)施等的性能。

1.1 試驗(yàn)壓力確定

試驗(yàn)依托山西東山供水工程進(jìn)行。該工程PCCP管道內(nèi)徑1.8 m，最大工作壓力1.6 MPa。根據(jù)技術(shù)規(guī)定，管道靜水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力為管道工作壓力加0.3 MPa。因此，試驗(yàn)段內(nèi)任一點(diǎn)壓力不大于工作壓力加0.3 MPa，且不小于任一點(diǎn)管道的實(shí)際工作壓力。根據(jù)管線特點(diǎn)（管道工況、管中心高程）及施工情況，將PCCP管線進(jìn)行靜水壓試驗(yàn)分段，并計(jì)算各段試驗(yàn)壓力，讀取試驗(yàn)段兩端壓力表讀數(shù)。

1.2 試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn)

管道水壓試驗(yàn)采用注水法。合格的判定標(biāo)準(zhǔn)：滿足允許壓力降值，管道水壓試驗(yàn)的補(bǔ)充水量不超過《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50268-2008）中9.2.11條公式（9.2.11-3）的計(jì)算值，管線安裝即為合格。

允許壓力降值是判定管線合格與否的最終依據(jù)，設(shè)計(jì)允許壓力降值為0.03 MPa。主試驗(yàn)階段，停止注水補(bǔ)壓，穩(wěn)定15 min；當(dāng)15 min后壓力下降值不超過0.03 MPa時(shí)，將試驗(yàn)壓力降至工作壓力，并保持恒壓30 min，外觀檢查若無漏水現(xiàn)象，則水壓試驗(yàn)合格。

1.3 允許滲水量標(biāo)準(zhǔn)

允許滲水量值計(jì)算公式為：

式中：q——允許滲水量，L/min·km；

D——管道內(nèi)徑，mm。

試驗(yàn)段管徑均為DN1800PCCP管道，經(jīng)計(jì)算得：q=5.94 L/min·km。

壓力升至試驗(yàn)壓力后開始計(jì)時(shí)，每當(dāng)壓力下降，應(yīng)及時(shí)向管道內(nèi)補(bǔ)水，但最大壓降不得大于0.03 MPa。保持管道試驗(yàn)壓力恒定，恒壓延續(xù)時(shí)間不得少于2 h，并計(jì)算恒壓時(shí)間內(nèi)補(bǔ)入試驗(yàn)管段內(nèi)的水量。若實(shí)測滲水量小于允許滲水量，則水壓試驗(yàn)合格。

實(shí)測滲水量計(jì)算公式為：

式中：q——實(shí)測滲水量，L/min·km；

W——恒壓時(shí)間內(nèi)補(bǔ)入管道的水量，L；

T——從開始計(jì)時(shí)至保持恒壓結(jié)束的時(shí)間，min；

L——試驗(yàn)管段的長度，m。

2 混凝土靠背和堵板設(shè)計(jì)

本文涉及的分段靜水壓試驗(yàn)的最大試驗(yàn)壓力為1.9 MPa，且堵板位置的最大靜水壓力為1.88 MPa。因此，靠背和堵板設(shè)計(jì)均按1.88 MPa的壓力進(jìn)行計(jì)算。

2.1 靠背設(shè)計(jì)

2.1.1 靠背計(jì)算

靠背采用預(yù)制鋼筋混凝土擋墻作為后背墻，后背墻后采用未開挖原狀土體或夯實(shí)土進(jìn)行止推，共同抵抗水壓試驗(yàn)管端承受的壓力。預(yù)制鋼筋混凝土擋墻面積為4.5 m×4.5 m=20.25 m2，厚度為0.35 m。

水壓試驗(yàn)作用于后背的力計(jì)算公式為：

式中：P——試壓段管端承受的壓力，kN；

PS——試驗(yàn)壓力，MPa；

R——管道內(nèi)徑，m。

經(jīng)計(jì)算，P=4 781.6 kN=478.16 t。

2.1.2 靠背墻設(shè)計(jì)

（1）后背土墻的允許抗力。當(dāng)管堵傳遞給后背的作用力與后背墻被動(dòng)土壓力的合力作用點(diǎn)重合時(shí)，后靠背允許抗力可按下式計(jì)算：

式中：EP——后背墻每1 m寬度上被動(dòng)土壓力，kN/m；

γ——后背土的重力密度，取20.0 kN/m3；

c——后背土體的粘聚力，kN/m2；

H——后背墻高度，4.5 m；

h——后背墻頂端至地面高度，m；

KP——被動(dòng)土壓力系數(shù)。按下式計(jì)算：

KP=[tg（45°+θ/2）]2=[tg（45°+34°/2）]2=3.54（θ—后背土體的內(nèi)摩擦角，取34°）。

經(jīng)計(jì)算，EP=716.85 kN/m。

（2）后背土體受力寬度。要求：B≥2.0P/EP

式中：B——后背受力寬度，m；

P——管堵傳遞給后背的作用力，kN；

2.0——安全系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算：B=2×4 781.6/716.85=13.34 m。

（3）后背土層長度。計(jì)算公式：

式中：L——沿后背受力方向長度，m；

LR——附加安全長度，取0.5 m。

經(jīng)計(jì)算：L=（4 781.6/13.34）1/2+0.5=19.43 m。

因此，靠背設(shè)置為：4.5 m×4.5 m×0.35 m鋼筋混凝土靠背+19.43 m×13.34 m未擾動(dòng)土體（或夯實(shí)土體），可以滿足該處試壓壓力要求。

2.2 堵板設(shè)計(jì)

試壓壓力堵板的最大壓強(qiáng)為1.88 MPa。受力厚度計(jì)算公式為：

式中：δ——受力厚度，mm；

P——設(shè)計(jì)壓力，MPa；

Di——公稱直徑，mm；

σ——設(shè)計(jì)溫度下鋼板的允許應(yīng)力，取133MPa；

Φ——焊縫系數(shù)，取0.85。

經(jīng)計(jì)算：δ=15.09 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，堵板厚度選擇16 mm厚鋼板可滿足最大1.88 MPa壓力強(qiáng)度。

根據(jù)供管廠家提供給本工程的鋼制堵頭，堵板實(shí)際采用了20 mm厚的鋼板。堵板背部采用縱橫6根2 m長的20#的工字鋼（腿寬100 mm，腰高200 mm，腰厚7 mm）焊接于堵板后進(jìn)行加固。

堵板與后背墻之間用1個(gè)100 t、8個(gè)50 t千斤頂支撐。后背墻采用4.5 m×4.5 m×0.35 m厚C30鋼筋混凝土制作，混凝土墻內(nèi)分布雙層Φ20鋼筋網(wǎng)片。混凝土靠背后用開挖土料夯填密實(shí)。堵板與靠背布置見圖1，堵板千斤頂布置見圖2。

3 靜水壓試驗(yàn)施工

3.1 試壓準(zhǔn)備

在管線封堵之前，首先，必須對管道內(nèi)進(jìn)行徹底的清掃，確保無雜物。對管道內(nèi)的接口進(jìn)行全面檢查，確保所有接口完成。管頂以上回填完成，厚度不小于2 m。管段內(nèi)止推體系，已經(jīng)完成并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，安排專人負(fù)責(zé)觀測試驗(yàn)管段兩端打壓管，以及打壓段范圍內(nèi)的空氣閥井、排水閥井、鎮(zhèn)支墩等部位。道路保持暢通，配備通訊工具，以便試壓時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取處理措施。

3.2 水源引接及初期注水

圖1 堵板與靠背布置

圖2 堵板千斤頂布置

東山供水工程管線毗鄰清漳西源，采用水泵抽水經(jīng)過管路、通過試驗(yàn)段內(nèi)排氣閥井的排氣三通至管道內(nèi)。根據(jù)試壓段注水量和注水工期計(jì)算，由于向管道的注水量較大，選擇多個(gè)QJ100-126/7深井潛水泵抽水，通過多個(gè)排氣閥井進(jìn)行注水，水泵至注水口采用水帶連接。局部地勢較高時(shí)，自然注水完成后，封閉排氣閥井的排氣三通。

3.3 加壓設(shè)備與壓力計(jì)的選擇及安裝

上游堵板處設(shè)置兩個(gè)Φ150孔口（與加壓多級泵出水口同口徑）：一孔口安裝為注水管路，管路上布置1個(gè)壓力表、1個(gè)球閥、2個(gè)閘閥，并連接多級泵和水箱；一孔口安裝回水管路，管路上布置1個(gè)壓力表、1個(gè)球閥、1個(gè)閘閥，然后進(jìn)入水箱。每一個(gè)壓力表前段都安裝1個(gè)小球閥。具體見圖3。

圖3 上游堵板處管路連接圖

下游堵板處設(shè)置一個(gè)Φ150孔口作為排氣管，管路上布置1個(gè)壓力表、1個(gè)球閥、1個(gè)閘閥。壓力表前段都安裝一個(gè)小球閥。具體見圖4。

圖4 下游堵板處管路連接圖

壓力表由主表和校核表兩塊組成，安裝在試驗(yàn)管段兩端的排氣管上，用蛇勁管連接。根據(jù)要求，結(jié)合試壓段試驗(yàn)壓力，壓力表最大量程為試驗(yàn)壓力的1.3倍，精度等級1.5級。為方便讀數(shù)，表殼的公稱直徑不小于150 mm。壓力表在使用前進(jìn)行校正。接裝壓力表時(shí)，把支管內(nèi)的空氣排凈，以防止升壓時(shí)壓力計(jì)指針頻繁波動(dòng)損壞壓力計(jì)。

根據(jù)試壓段壓力選用ISW80-350臥式多級離心泵，揚(yáng)程不小于200 m。滲漏試驗(yàn)時(shí)，采用刻度水箱進(jìn)行注水量計(jì)量，并記錄好注水量。

3.4 試驗(yàn)方法

3.4.1 管道內(nèi)注水

準(zhǔn)備工作全部完成后開始向試壓管道內(nèi)進(jìn)行充水。注水口設(shè)置在堵板，充水時(shí)打開管線所有的排氣閥門以便排除氣體，關(guān)閉泄水系統(tǒng)排水閥門。當(dāng)充水至排除的水流中不帶氣泡且水流仍連續(xù)時(shí)，即可關(guān)閉排氣閥門停止充水。充水速度不宜過快，以免管內(nèi)積存較多空氣，導(dǎo)致試壓時(shí)壓力讀數(shù)不準(zhǔn)，造成降壓假象。在向管道注水時(shí)，安排專門人員沿線巡視，檢查各閥門、管身及接口等部位有無滲水漏水現(xiàn)象發(fā)生，一旦發(fā)現(xiàn)漏水及時(shí)停止注水進(jìn)行處理。為使管道內(nèi)壁及接口材料充分吸水，注水充滿后要充分浸泡，然后再進(jìn)行試壓，浸泡時(shí)間一般不少于72 h。

3.4.2 試壓方法

采取分級打壓，逐步緩慢地分級升壓（每級0.2 MPa）。每升一級后，穩(wěn)壓不少于10 min（為保持壓力，允許向管內(nèi)補(bǔ)水），檢驗(yàn)試驗(yàn)管段有無漏水處，如果情況正常則繼續(xù)升壓。當(dāng)壓力升至試驗(yàn)壓力后，預(yù)實(shí)驗(yàn)穩(wěn)壓30 min。在此期間，如有壓力下降時(shí)可注水補(bǔ)壓，但要注意不得高于試驗(yàn)壓力。每升壓一級，觀測人員要記錄各部位實(shí)際情況，并向水壓實(shí)驗(yàn)調(diào)度負(fù)責(zé)人及時(shí)匯報(bào)。

在管道升壓過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)壓力表針擺動(dòng)不穩(wěn)且升壓較慢時(shí)，要重新排氣后再進(jìn)行升壓。

在試驗(yàn)過程中，若出現(xiàn)管壓上不去或堵管時(shí)，要立即停止試驗(yàn)，查找原因，采取相應(yīng)措施后再重新試驗(yàn)；若出現(xiàn)明顯滲水或者集中噴水，則要立即停止打壓，打開排水閥，卸壓后進(jìn)行檢修，然后重新打壓。

在水壓試驗(yàn)過程中，嚴(yán)禁管道兩端站人，嚴(yán)禁在管線上行駛重車與推土；嚴(yán)禁對管身、接口敲打或修補(bǔ)缺陷。如發(fā)現(xiàn)缺陷要做好標(biāo)記，卸壓后進(jìn)行修補(bǔ)。

當(dāng)壓力達(dá)到試驗(yàn)壓力并穩(wěn)壓30 min后，停止注水補(bǔ)壓，穩(wěn)定15 min。在此期間，如果壓力下降不超過0.03 MPa，則將試驗(yàn)壓力降至工作壓力，并保持恒壓30 min。試驗(yàn)期間，每當(dāng)壓力下降時(shí)要及時(shí)向管道內(nèi)補(bǔ)水，并計(jì)量整個(gè)恒壓時(shí)間內(nèi)補(bǔ)入試驗(yàn)管段內(nèi)的水量。

3.4.3 試驗(yàn)段內(nèi)巡查

試驗(yàn)段內(nèi)巡查包括排氣閥井、排水閥井、檢修閥井以及鎮(zhèn)支墩位置的安全檢查，其目的是為了在逐級升壓過程中，看鎮(zhèn)支墩是否有位移，閥井建筑物內(nèi)設(shè)備是否漏水或異常。根據(jù)實(shí)際情況，在試驗(yàn)段內(nèi)每相鄰2座閥井建筑物，配置1名安全人員，專門負(fù)責(zé)巡查線路中可能出現(xiàn)的安全問題。

3.4.4 打壓觀測與數(shù)據(jù)采集

在水壓試驗(yàn)過程中，負(fù)責(zé)人及時(shí)與看護(hù)人員、巡查人員、監(jiān)測人員聯(lián)系，要求所有小組在試驗(yàn)過程中連續(xù)不間斷地檢查、監(jiān)測作業(yè)，以確保水壓試驗(yàn)整體安全受控狀態(tài)。每升壓一級后，立即通知相關(guān)負(fù)責(zé)人員加強(qiáng)對后背、閥件及接口處的檢查，并及時(shí)通知試驗(yàn)記錄進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。當(dāng)無異?，F(xiàn)象時(shí)，再繼續(xù)升壓。注水法試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在事先設(shè)計(jì)好的表格內(nèi)。

3.4.5 卸壓排水與設(shè)備拆除

水壓實(shí)驗(yàn)經(jīng)過現(xiàn)場監(jiān)理與建設(shè)單位、施工單位負(fù)責(zé)人等共同驗(yàn)收合格后，進(jìn)行緩慢降壓，以免引起顫動(dòng)。要緩慢開關(guān)閥門，以防止產(chǎn)生水錘。逐步打開放氣閥，保證管道排水過程中空氣及時(shí)補(bǔ)充進(jìn)管道。

試壓段排水，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，可通過泄水系統(tǒng)（排水閥井）就近排至附近河溝。排水時(shí)要防止形成負(fù)壓，注意控制閥門的打開度。

試驗(yàn)結(jié)束后，先將加壓設(shè)備拆除。當(dāng)管道內(nèi)水量排完后，再將堵頭拔出，然后鑿除靠背混凝土，進(jìn)行管道閉合施工。

4 位移觀測與滲水量計(jì)算

4.1 線路鎮(zhèn)墩位移觀測

靜水壓試驗(yàn)時(shí)，管線鎮(zhèn)支墩已埋入地下，無法直接進(jìn)行位移觀測，可選取試驗(yàn)段內(nèi)線路拐點(diǎn)最大的鎮(zhèn)墩進(jìn)行觀測。觀測時(shí)，將鎮(zhèn)墩頂部覆土剝離出約1 m的孔口，漏出鎮(zhèn)墩混凝土面，再在混凝土面上打孔埋入鋼筋，在鋼筋頭上做十字標(biāo)記（同測量控制樁埋設(shè)）。另外，在垂直于鎮(zhèn)墩方向的鎮(zhèn)墩兩側(cè)20 m外，各埋設(shè)1個(gè)鋼筋樁，鋼筋樁上做十字標(biāo)記，其中一個(gè)鋼筋樁選擇較高點(diǎn)埋設(shè)，以便于觀測。要求三個(gè)鋼筋樁布設(shè)在一條直線上。觀測時(shí)采用全站儀，儀器架設(shè)在鎮(zhèn)墩外側(cè)高點(diǎn)上，視線對準(zhǔn)鎮(zhèn)墩另一側(cè)埋設(shè)的鋼筋樁，三點(diǎn)一線。觀測設(shè)備安設(shè)好后，在緩慢升壓過程中，觀測鎮(zhèn)墩埋設(shè)的觀測點(diǎn)是否受到推力時(shí)存在位移及位移量，以確保水壓試驗(yàn)安全進(jìn)行。

4.2 靠背及堵板位移觀測

管道加壓前，在水壓試驗(yàn)段兩段堵板承插口處，用記號筆沿堵板承插口端部上、下、左、右四個(gè)點(diǎn)做標(biāo)記。另外，在混凝土靠背邊緣緊貼混凝土面，采用鋼筋打入兩側(cè)土體內(nèi)。管道逐級升壓時(shí)，專人觀察測量承插口堵板處的標(biāo)刻線和后背混凝土面與鋼筋的間距，間距超過5 mm，停止加壓，調(diào)整（增長）千斤頂?shù)男谐蹋缓罄^續(xù)加壓并觀察。

4.3 管道實(shí)測滲水量計(jì)算

在試壓管段，將管壓升至試驗(yàn)壓力后，記錄時(shí)間T1（min）；每當(dāng)壓力下降及時(shí)向管內(nèi)補(bǔ)水，保持試驗(yàn)壓力值恒定，并記錄補(bǔ)水量Wi（L），但最大壓力下降不得超過0.03 MPa；重復(fù)上述步驟，在最后一次壓力下降結(jié)束后，記錄時(shí)間T2（min）；統(tǒng)計(jì)在時(shí)間T內(nèi)的總補(bǔ)入水量W=∑Wi。該試壓段管道實(shí)測每分鐘滲水量平均值Q計(jì)算公式為：Q=W·1 000/TL（L/min·km）。

5 水壓實(shí)驗(yàn)應(yīng)急措施

在水壓實(shí)驗(yàn)過程中，一旦發(fā)生滲水和漏水等緊急情況時(shí)，立即報(bào)告總指揮或現(xiàn)場指揮協(xié)調(diào)人員，并立即停止加壓，根據(jù)出現(xiàn)的問題及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。若法蘭連接處發(fā)生滲漏，要卸壓后將法蘭螺絲緊固后繼續(xù)試壓，直至不再滲漏。如若發(fā)生嚴(yán)重漏水、管身爆裂等重要情況，立即停止打壓，迅速聯(lián)系相關(guān)參建單位，共同研究確定處理措施，盡快處理。

6 結(jié)束語

預(yù)制鋼筋混凝土靠背法靜水壓試驗(yàn)施工，在山西東山供水工程中得到廣泛應(yīng)用，高速度、高質(zhì)量的完成了全部分段靜水壓試驗(yàn)工作，積累了PCCP有壓輸水管道功能性試驗(yàn)的豐富經(jīng)驗(yàn)，可為其他類似工程施工提供良好的借鑒。