魏樓水庫(kù)PCCP管道靜水壓試驗(yàn)及參數(shù)驗(yàn)算

郝紅新

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司，南昌 330200)

1 問(wèn)題的提出

魏樓水庫(kù)主要擔(dān)負(fù)著規(guī)劃年向菏澤市區(qū)主城區(qū)等區(qū)域164.66×104人提供生活飲用水、灌溉、防洪蓄水等任務(wù)。水庫(kù)永久性占地面積206.88hm2，總庫(kù)容1560×104m3。水庫(kù)主要包括圍壩、泵站、涵洞、輸水管道等水工建筑物。防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度。水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容1560×104m3，死庫(kù)容215×104m3、調(diào)節(jié)庫(kù)容1345×104m3，入庫(kù)泵站流量為9.0m3/s，規(guī)劃年入庫(kù)水量6663×104m3，供水規(guī)模16.02×104m3/d，供水量5848×104m3/a等。魏樓水庫(kù)輸水管道主要采用直徑2000mm的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土(PCCP)管，在管道工程施工結(jié)束后，采用管道水壓試驗(yàn)對(duì)該水庫(kù)PCCP壓力輸水管道及所包含的各類管件、閥門件、鎮(zhèn)墩等水工建筑物設(shè)計(jì)方案的合理性、施工安裝質(zhì)量的綜合檢查以及管道各建筑物在正常供水狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及水密性驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)段劃分

在進(jìn)行水壓試驗(yàn)前必須對(duì)水庫(kù)輸水管道接口進(jìn)行3次打壓試驗(yàn)，并完成打壓試驗(yàn)驗(yàn)收、管道接口所使用到的填充材料以及閥件運(yùn)行情況合理性的安裝驗(yàn)收，應(yīng)當(dāng)使全部閥門均處于全部開(kāi)啟狀態(tài)。根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50268-2008的相關(guān)規(guī)定，輸水管道試驗(yàn)段長(zhǎng)度必須符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，且壓力管道水壓試驗(yàn)管段長(zhǎng)度應(yīng)控制在1.0km以內(nèi)[1]?？紤]到魏樓水庫(kù)輸水工程PCCP管道管徑大、距離長(zhǎng)，結(jié)合標(biāo)段實(shí)際，應(yīng)對(duì)全線管道接頭進(jìn)行逐個(gè)水壓試驗(yàn)，并將分段長(zhǎng)度控制在1.0km以內(nèi)，按照這種分段方法進(jìn)行輸水管道全線的段分后分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

2.2 試壓水源

充水及注水加壓主要利用的是沿線灌溉水井水。根據(jù)水源情況將進(jìn)水口設(shè)置在就近的空氣閥井處，注水打壓所產(chǎn)生的氣體從空氣閥井的微量排氣閥門排出，為便于抽水，試驗(yàn)前還應(yīng)準(zhǔn)備數(shù)臺(tái)7.5kW的水泵。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

魏樓水庫(kù)輸水管道靜水壓試驗(yàn)主要使用符合水壓試驗(yàn)規(guī)范要求的ISG80-160、DN100mm單級(jí)離心低揚(yáng)程特定型號(hào)注水設(shè)備、連接設(shè)備以及水壓觀測(cè)測(cè)控儀器儀表。所使用水泵電機(jī)的設(shè)計(jì)功率、設(shè)計(jì)揚(yáng)程和設(shè)計(jì)流量分別為7.5kW、為14.2m、50m3/h，主要從灌溉水井中抽取試驗(yàn)用水注水。同時(shí)，壓力泵主要采用的是3DK-S型柱塞式類型，該型號(hào)的壓力泵設(shè)計(jì)排水壓力為70MPa，額定排量可達(dá)到54L/min，通過(guò)導(dǎo)線將其與流量數(shù)值顯示表連接，以進(jìn)行管道加壓過(guò)程中試壓水增量及管道抽水量等的計(jì)量。注水管則由DN100mm*10mm鋼管焊接而成，所使用的FME系列流量計(jì)流量計(jì)量準(zhǔn)確度在0.1%以上。進(jìn)行該水庫(kù)PCCP管道靜水壓力試驗(yàn)所使用的壓力表精度應(yīng)達(dá)到1.5級(jí)，量程應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力值的1.5倍，表殼公稱直徑應(yīng)至少為15cm。

魏樓水庫(kù)輸水管道靜水壓試驗(yàn)連接設(shè)備主要包括DN2000承插式試壓鋼管、支撐短管及盲板等，靜水壓試驗(yàn)連接示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 靜水壓試驗(yàn)連接示意圖

3 試壓鋼管

魏樓水庫(kù)輸水管道靜水壓試驗(yàn)試壓鋼管采用DN2000承插式鋼管，選擇好試壓鋼管后還應(yīng)進(jìn)行力的計(jì)算以及摩擦抵抗軸向力最小鋼管段長(zhǎng)度的確定。

3.1 力的計(jì)算

試驗(yàn)鋼管沖壓后軸向力按下式確定：

F=P×S

(1)

式中：F為試驗(yàn)鋼管沖壓后軸向力，kN/m；P為鋼管試驗(yàn)壓力，kN/m2，根據(jù)設(shè)計(jì)取500kN/m2；S為試驗(yàn)鋼管管道斷面積，m2，按照S=πR2計(jì)算，其中試驗(yàn)鋼管半徑R為1.1m。則經(jīng)過(guò)計(jì)算，試驗(yàn)鋼管沖壓后軸向力為1899.7kN/m。

埋地鋼管覆蓋土層頂壓力和側(cè)壓力按以下公式確定：

F1=K1ρHD

(2)

F2=ρ(H+D/2)×D×tg2(45°-θ/2)

(3)

F3=W1+W2

(4)

式中：F1為覆蓋土層頂壓力，kN/m；K1為土體垂直壓力系數(shù)，取0.8；ρ為土容重，kN/m3，取18.1kN/m3；H為埋地鋼管管頂覆土厚度，m，根據(jù)設(shè)計(jì)取3.0m；D為管段直徑，m，取2.2m；F2為覆蓋土層側(cè)壓力，kN/m；θ為覆蓋土內(nèi)摩擦角，°，取20°；F3為管段重量，kN/m；W1為埋地鋼管自重，kN/m，為1.3kN/m；W2為埋地鋼管內(nèi)裝滿水的重量，kN，按照W2為水的比重，取10kN/m3，則W2取37.99kN。

由式(2)-(4)可得，覆蓋土層頂壓力F1為95.568kN/m，覆蓋土層側(cè)壓力F2為79.84kN/m，管段重量F3為39.29kN/m。

埋地鋼管摩阻力按下式確定：

f=u(F1+2F2+F3)

(5)

式中：f為埋地鋼管單位管段摩阻力，kN/m；u為軟土摩擦系數(shù)，取0.2；其余參數(shù)含義同前。根據(jù)計(jì)算，埋地鋼管單位管段摩阻力取58.91kN/m。

3.2 摩擦抵抗軸向力最小鋼管段長(zhǎng)度

fL≥K2F

(6)

式中：L為鋼管段長(zhǎng)度，m；K2為安全系數(shù)，取1.6；F為摩擦抵抗軸向力；其余參數(shù)含義同前。經(jīng)計(jì)算，魏樓水庫(kù)輸水管道靜水壓試驗(yàn)?zāi)Σ恋挚馆S向力最小鋼管段長(zhǎng)度L≥51.596m。

為此魏樓水庫(kù)輸水管道PCCP管段試壓鋼管長(zhǎng)度應(yīng)按照60m選取。試壓鋼管主要采用承插式DN2000鋼管，一端與所設(shè)置的試壓管道連接，而另一端采取與盲板的焊接連接方式，并通過(guò)1根DN1800鋼管連接后背墻鋼板與盲板，從而形成結(jié)構(gòu)性能均可靠的支撐體系。按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案將D100mm鋼管焊接在進(jìn)/出水口的試壓管道最高端，并同時(shí)將DN40mm排氣鋼管牢固焊接在試壓管道的最低端，并將球閥、壓力表和流量計(jì)安裝在進(jìn)/出水口鋼管和排氣鋼管上。

4 后背墻選擇

將該輸水管道后背墻設(shè)置在原狀土上，結(jié)合標(biāo)段設(shè)計(jì)，管線之間高差應(yīng)控制在2.0m/km內(nèi)，出于管段運(yùn)行安全的考慮，取高差為2.0m/km。后背墻按照直立式混凝土墻設(shè)計(jì)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，墻體設(shè)計(jì)高度6.0m，埋地深1.5m，墻背后填土高度3.0m，混凝土墻厚2.0m，寬6.0m。后背墻基礎(chǔ)設(shè)置在原狀土上，并進(jìn)行地面和地下部分的同時(shí)澆筑。后背墻橫縱截面尺寸示意圖，見(jiàn)圖2。

4.1 后背墻墻體穩(wěn)定性驗(yàn)算

為進(jìn)行后背墻墻體穩(wěn)定性驗(yàn)算，必須進(jìn)行圓管和墻體接觸后墻體抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。圓管設(shè)計(jì)直徑為1.8m，所以圓形鋼管和后背墻墻體接觸后墻體受剪面積S1為2.543m2，剪應(yīng)力R=F/S1=1899.7/2.543=747.031kPa=0.747MPa，該結(jié)果取值比C25混凝土墻體設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度小，所以，后背墻墻體結(jié)構(gòu)安全。

后背墻墻體和地面線接觸處墻體抗剪強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)先確定出接觸面面積S2，為12m2，則墻體與地面接觸面抗剪強(qiáng)度為R=F/S2=1899.7/12=158.308kPa=0.158MPa，取值比后背墻墻體設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度小，所以墻體結(jié)構(gòu)安全。

圖2 后背墻橫縱截面尺寸示意圖

4.2 后背墻墻體抗傾覆性

后背墻墻體在輸水管道PCCP管段試壓過(guò)程中能否穩(wěn)定不滑動(dòng)，主要取決于墻體后回填土密實(shí)程度，魏樓水庫(kù)輸水管道計(jì)劃在完成后背墻澆筑施工后回填砂礫，設(shè)計(jì)壓實(shí)度96%。在試壓壓力的影響下，后背墻后填土主要受到被動(dòng)土壓力的影響和作用，結(jié)合郎肯被動(dòng)土壓力公式進(jìn)行抗傾覆性評(píng)價(jià)：

(7)

式中：EP為被動(dòng)土壓力，kN/m；γ為后背墻后填土重度，kN/m3，取20kN/m3；h為后背墻設(shè)計(jì)高度，m，取6.0m；φ為墻后填土的內(nèi)摩擦角?！悖?0°。經(jīng)過(guò)計(jì)算，該水庫(kù)工程輸水管道后背墻被動(dòng)土壓力為1080kN/m。則后背墻被動(dòng)土壓力與墻體結(jié)構(gòu)自重相對(duì)于墻趾處的力矩N1為(1080×6.0)×1+72×2.3×1=6646kN·m，輸水管道試壓過(guò)程中所產(chǎn)生的壓力對(duì)墻趾的力矩N2為1899.7×2.6=5927kN·m，由于N1>N2，所以輸水管道試驗(yàn)時(shí)后背墻墻體不會(huì)發(fā)生傾覆。

5 PCCP管道試壓充水

5.1 管道充水

結(jié)合GB50268-2008相關(guān)規(guī)定，對(duì)于無(wú)設(shè)計(jì)要求的單口水壓試驗(yàn)合格的大口徑預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土輸水管道，可省去預(yù)試壓環(huán)節(jié)，直接進(jìn)行主試驗(yàn)[2]。試壓開(kāi)始后先通過(guò)DN100mm供水管和空氣閥進(jìn)入孔最高點(diǎn)向管段內(nèi)按照0.2-0.3m/s的速度勻速充水，以避免管段出現(xiàn)水錘而破壞管道。在充水過(guò)程中，管段內(nèi)空氣從空氣閥進(jìn)入孔和試壓管上的排氣孔排出，且當(dāng)所排出的水流呈均勻連續(xù)狀，并不摻雜氣泡時(shí)意味著管段內(nèi)空氣已排除干凈。在管段內(nèi)注滿水后無(wú)壓浸泡至少72h，并檢修全部試壓設(shè)備、管路及封堵。

在管段內(nèi)充滿水，通過(guò)管段上的DN100mm進(jìn)出水管專用泵向管段內(nèi)注水，并按照0.1MPa逐級(jí)升壓，若試驗(yàn)管段無(wú)任何滲漏跡象則應(yīng)保持繼續(xù)升壓的試驗(yàn)狀態(tài)，達(dá)到設(shè)計(jì)試驗(yàn)壓力后，停止注水并補(bǔ)壓，之后穩(wěn)壓15min，在此過(guò)程中=若無(wú)壓力驟降及劇烈波動(dòng)現(xiàn)象，則管段強(qiáng)度及密封情況合格；如果壓力降幅在0.03MPa以內(nèi)，則應(yīng)將壓力降至工作壓力，并進(jìn)行滲水量測(cè)試，當(dāng)滲水量≤0.14m3/h則視為合格，否則，不合格。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，魏樓水庫(kù)輸水管道PCCP管段充水過(guò)程中無(wú)任何滲漏跡象，穩(wěn)壓過(guò)程中也無(wú)壓力下降現(xiàn)象，表明管道強(qiáng)度及密封合格。

5.2 管道排水

打壓成功后考慮到水資源節(jié)約和循環(huán)利用的目的，應(yīng)在排水管道水質(zhì)符合供水管道打壓用水質(zhì)用量標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上用潛水泵從管段內(nèi)抽水至下一試驗(yàn)段，及時(shí)進(jìn)行下一打壓段。試壓合格后采用水泵將試壓余水直接抽出并排出至農(nóng)田水系。

6 結(jié) 論以

結(jié)合給排水管道工程施工技術(shù)規(guī)范，魏樓水庫(kù)輸水工程壓力管道較長(zhǎng)，必須加強(qiáng)其靜水壓試驗(yàn)方法、試驗(yàn)管道布置及后背墻處理等方面的分析，此外，對(duì)于試驗(yàn)段較多的情況下，為節(jié)省工程造價(jià)，后背墻混凝土可采用預(yù)制混凝土塊。