PCCP輸水工程深槽段處理關(guān)鍵技術(shù)研究

陳新佳

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110001)

為解決我國水資源分布不均勻的問題，許多輸水工程被大量興建，例如，南水北調(diào)工程、引灤入唐、引黃入淀、引江濟(jì)淮等，這些工程的建設(shè)在一定程度上緩解了區(qū)域水資源供需矛盾壓力，對我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施有著重要的推廣意義[1- 2]。目前預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管PCCP由于其具有高抗壓性、高抗?jié)B性、高密閉性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于輸水工程建設(shè)[3- 4]。

PCCP工程最早由法國開發(fā)使用，后來發(fā)展到美國、加拿大等歐洲國家。從20世紀(jì)80年代開始逐步在國內(nèi)廣泛應(yīng)用[5- 6]。在使用過程中，應(yīng)盡可能選擇地質(zhì)均勻、地形起伏度較小的區(qū)域設(shè)置，避免PCCP工程附近出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域，造成不必要的施工問題，但實(shí)際施工設(shè)計(jì)時(shí)往往無法避免，導(dǎo)致在地形起伏度較大的區(qū)域會出現(xiàn)深槽段，因此對PCCP工程深槽段處理的關(guān)鍵技術(shù)研究成為了該工程必須解決的課題[7]。

目前針對PCCP工程關(guān)鍵施工技術(shù)的研究已取得了一定的進(jìn)展。蒙世懺等[8]研究了長距離輸水方案的設(shè)計(jì)對比，基于綜合性能評分法對比了大管徑PCCP和小管徑球墨鑄鐵管的優(yōu)缺點(diǎn)，采用有限元方法分析了PCCP管道的工作性質(zhì)，提出了PCCP管道的優(yōu)化施工方案，對該工程的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)；馬路[9]分析了PCCP輸水工程的防腐性質(zhì)，通過對水土腐蝕性指標(biāo)的監(jiān)測和評價(jià)，指出PCCP管道不需要進(jìn)行防腐處理；忽惠卿[10]研究了南水北調(diào)輸水PCCP工程在深槽段的處理技術(shù)，確定了主要的工程措施和邊坡防護(hù)措施。

由于PCCP工程的實(shí)際特點(diǎn)，在地形起伏較大和地質(zhì)不均勻的區(qū)域深槽段施工較困難。進(jìn)行輸水管道設(shè)計(jì)時(shí)的地形圖較陳舊，無法真實(shí)反映施工實(shí)際情況，PCCP管道工程在設(shè)計(jì)時(shí)并未熟練應(yīng)用數(shù)字高程模型DEM。該模型可清晰反映地形情況，為PCCP工程管線確定提供基礎(chǔ)。因此，本文以GPS實(shí)際測點(diǎn)為主要手段，分析了在實(shí)際工程區(qū)域的地形，形成區(qū)域DEM，同時(shí)分析了在地質(zhì)不均勻時(shí)深槽段的主要施工技術(shù)。

1 PCCP深槽段設(shè)計(jì)路徑確定關(guān)鍵技術(shù)

在地形起伏較大地區(qū)，在設(shè)計(jì)過程中需選擇地形起伏度較小的區(qū)域進(jìn)行PCCP管道路線布置[11。在現(xiàn)場測量地形時(shí)，若大面積測量將耗費(fèi)大量財(cái)力，一般采用GPS進(jìn)行測量控制點(diǎn)的定位。本文以某PCCP實(shí)際工程為例，確定了研究區(qū)域GPS的測點(diǎn)分布位置，具體測點(diǎn)布置如圖1所示。研究確定該區(qū)域地形起伏度是PCCP管道深槽段地形確定的關(guān)鍵。

根據(jù)GPS測點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，采用插值算法將測點(diǎn)高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為地形圖，結(jié)果如圖2所示。由圖2中的等值線可進(jìn)一步得到研究區(qū)域的TIN，結(jié)果如圖3所示。最終得出的三維地形和DEM可清晰反映研究區(qū)域的實(shí)際地形情況，結(jié)果如圖4—5所示。

圖1 PCCP深槽段地形GPS測點(diǎn)分布

圖2 PCCP深槽段地形等值線

圖3 PCCP深槽段地形TIN

圖4 PCCP深槽段地形三維地形

圖5 PCCP深槽段地形DEM

PCCP管道深槽段路線，應(yīng)盡量選擇地形起伏較低的區(qū)域，因此需要在實(shí)測地形DEM的基礎(chǔ)上進(jìn)行地形起伏度的計(jì)算[12- 13]。在計(jì)算研究區(qū)域地形起伏度時(shí)，需確定分析窗口的面積，結(jié)果如圖6—7所示。

圖6 平均起伏度與分析窗口的關(guān)系

圖7 最佳分析窗口面積確定

由圖6—7中可以看出，不同分析窗口下的窗口面積與計(jì)算得到的平均起伏度之間存在較好的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，且關(guān)系式的決定系數(shù)達(dá)到了0.875，由圖7可以看出，最佳分析窗口面積取4.64km2時(shí)，可獲得最佳計(jì)算效果。

基于此，計(jì)算了PCCP管道區(qū)域的地形起伏度，結(jié)果如圖8所示。為方便路線選取，需對地形起伏度進(jìn)行分級，結(jié)果如圖9所示。在進(jìn)行PCCP管道深槽段路線設(shè)計(jì)時(shí)，可盡量選用與地形起伏度同級的區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，提高PCCP工程質(zhì)量，降低施工難度。

圖8 地形起伏度計(jì)算

圖9 地形起伏度分級

2 PCCP深槽段施工控制關(guān)鍵技術(shù)

由于深槽段開挖斷面較陡，PCCP管道施工質(zhì)量的主要影響因素為開挖斷面的質(zhì)量，本文主要分析了臺階法，研究了該方法在進(jìn)行PCCP管道施工過程中的主要控制標(biāo)準(zhǔn)[14- 15]。通過分析臺階法進(jìn)行深槽段開挖后的斷面沉降變化規(guī)律，確定該方法進(jìn)行施工的主要控制標(biāo)準(zhǔn)，沉降監(jiān)測關(guān)系結(jié)果如圖10所示。地層沉降是一個(gè)逐步積累的過程，在土層的固結(jié)作用下，地層產(chǎn)生快速沉降，相應(yīng)的沉降速率最大，由臺階法產(chǎn)生的地表最大沉降為265mm。不同分層情況下的土層沉降存在一定的差異，隨著土層深度的增加，沉降量逐漸增大，土層深度越深，沉降越大，同時(shí)開挖斷面中心處的沉降高于開挖斷面兩側(cè)。

圖10 不同位置開挖斷面沉降觀測

參考相關(guān)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范及類似歷史工程經(jīng)驗(yàn)，參照現(xiàn)場監(jiān)測的地層變形在各開挖工序的部分分配關(guān)系，PCCP工程通過風(fēng)化深槽段，各項(xiàng)監(jiān)測的重要性不言而喻。特別是對于地層變形安全風(fēng)險(xiǎn)控制而言，準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取地層變形監(jiān)測數(shù)據(jù)是前提。當(dāng)變形達(dá)到不同的管理級別時(shí)，采取相應(yīng)的控制技術(shù)措施，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息反饋與動(dòng)態(tài)施工過程管理、控制的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地層變形、安全狀態(tài)的預(yù)知與受控，確保工程的順利實(shí)施。圖11中列舉了PCCP在施工開挖過程中的3條控制線，其中包括預(yù)警控制線、報(bào)警控制線和極限控制線，當(dāng)開挖過程中監(jiān)測到的土體沉降達(dá)到相關(guān)控制線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)救。同時(shí)，當(dāng)土體沉降量高于250mm時(shí)，表明該區(qū)域土層無法滿足PCCP工程的施工，需提前做好地基處理措施。

圖11 PCCP工程施工開挖控制

3 結(jié)語

本文通過分析PCCP工程在深槽段處理的關(guān)鍵技術(shù)，為該工程的順利施工提供了一定的理論基礎(chǔ)，從設(shè)計(jì)和施工2個(gè)方面出發(fā)，研究PCCP工程在深槽段的路徑規(guī)劃和施工控制標(biāo)準(zhǔn)，得到了以下結(jié)論。

(1)對PCCP工程路徑設(shè)計(jì)規(guī)劃，需掌握最新的深槽段地形信息，基于GPS對區(qū)域地形進(jìn)行實(shí)測，然后對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行高程處理，得出等值線和DEM圖，并基于此確定了工程區(qū)域的地形起伏度分級，指出對于PCCP工程路徑應(yīng)盡量在同一分級處進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

(2)對于PCCP工程施工控制的關(guān)鍵技術(shù)，以臺階法為開挖方法，研究了在該方法下的土層沉降，進(jìn)而找到了PCCP工程的施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

(3)本文僅以臺階法作為開挖實(shí)例進(jìn)行分析，在以后的研究中可分別基于中隔壁法、預(yù)留核心土法進(jìn)行研究，分別確定不同方法的PCCP工程施工控制標(biāo)準(zhǔn)。