三梁岔管體型設(shè)計(jì)在北線引水工程中的應(yīng)用

徐大彬，藍(lán)妹元，王 煌，馮 章，李子晗

（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司水環(huán)境與城建工程分公司 河湖治理一室，成都610000；2.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司南寧分公司 水環(huán)境工程所，南寧530000；3.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司 水務(wù)工程院，廣東 深圳518000）

1 工程概況

龍茜供水工程和北線引水工程是深圳西北部的供水生命線［1-2］。 龍茜供水工程?hào)|起龍口泵站，西至茜坑水庫(kù)， 工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)模33萬(wàn)m3/d， 線路全長(zhǎng)19.46km；北線引水工程為龍茜供水工程的二期工程，于2006年5月開工建設(shè)，2010年5月正式建成通水，該工程從上埔泵站取東深原水經(jīng)茜坑、 鵝頸水庫(kù)輸至石巖水庫(kù)，全長(zhǎng)約29.92km，設(shè)計(jì)輸水規(guī)模120萬(wàn)m3/d。北線引水工程建成后，與東深供水工程、東部供水水源工程形成雙水源保障的供水格局， 在提高深圳市供水保障能力、 解決片區(qū)用水緊張問(wèn)題中發(fā)揮了重要作用［3］。 工程總體分布如圖1。

圖1 龍茜供水工程、北線引水工程整體分布圖

自2012年以來(lái)， 北線和龍茜玻璃鋼夾砂管已發(fā)生5次漏水和4次爆管，嚴(yán)重威脅沿線鐵路、學(xué)校、居民區(qū)等公共安全。為保障供水安全，須在保證原設(shè)計(jì)輸水規(guī)模的前提下，對(duì)沿線隱患管段進(jìn)行安全整改。整改設(shè)計(jì)采用并管改造方案，即在部分位置將龍茜、北線兩線并管成DN3400鋼管，合并管在下游與現(xiàn)狀管道通過(guò)三梁岔管連接如圖2。

圖2 并管改造方案示意圖

三梁岔管是用三根首尾相連接的曲梁作為加固構(gòu)件［4～6］（如圖3）。 其中，U梁承受較大的不平衡水壓力，是梁系中的主要構(gòu)件；腰梁1承受的不平衡力較?。谎?用來(lái)加固主管管壁。同時(shí)，兩根腰梁有協(xié)助U梁承受外力的功用。 三梁岔管的體型設(shè)計(jì)精確與否，直接關(guān)系到工程的運(yùn)行安全。 目前，相關(guān)規(guī)范大多采用解析法計(jì)算岔管的各點(diǎn)坐標(biāo)， 從而繪制出管身曲線［7］，該計(jì)算流程繁雜，精度有限。 為保證工程質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)精度，本文采用基于CAD平臺(tái)二次開發(fā)的ZDM輔助軟件進(jìn)行岔管的體型設(shè)計(jì)， 從而較精確得到岔管的各特征點(diǎn)坐標(biāo)；同時(shí)采用“水利水電計(jì)算程序集”中的“三梁式卜型岔管”模塊進(jìn)行岔管相貫線的方程計(jì)算，從而得到加固梁的平面投影曲線。該方法為岔管預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)施工提供了指導(dǎo)。

圖3 三梁岔管示意圖

2 三梁岔管體型設(shè)計(jì)

2.1 管徑、壁厚設(shè)計(jì)

整改工程沿線管道均采用鋼管， 管徑分別為DN3400、DN2800和DN2200，管材為Q345C鋼，管頂平均覆土深度為2～6m，局部最大埋深達(dá)12m。 根據(jù)管徑及施工方法， 對(duì)各種管徑及不同覆土深度情況下的管道進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)、 正常使用極限狀態(tài)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和剛度計(jì)算，可得到各管壁厚。 管道設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 不同管徑的管道設(shè)計(jì)參數(shù) 單位：mm

2.2 岔管體型參數(shù)設(shè)計(jì)

較好的岔管體型應(yīng)具有較小的水頭損失、 較好的應(yīng)力狀態(tài)并易于制造。 為保證水流通過(guò)岔管各斷面的平均流速相等，或使水流處于緩慢的加速狀態(tài)，分岔角的選擇尤為重要。若分岔角過(guò)小，不僅會(huì)增加分岔段的長(zhǎng)度，也會(huì)使得加固梁尺寸過(guò)大，從而不易制造。 一般而言，分岔角一般在30°～75°范圍內(nèi)，較常采用的范圍是45°～60°［8］。本工程結(jié)合實(shí)際需要，三梁岔管的分岔角選為45°。

對(duì)于三梁岔管，分岔后錐管腰線轉(zhuǎn)折角可取0°～15°， 宜用5°～12°［8］， 若轉(zhuǎn)折角過(guò)大則易引起應(yīng)力集中。 結(jié)合規(guī)范取值，本工程主管錐角度選為3°，支管錐角度選為8°。

2.3 體型設(shè)計(jì)步驟

（1）在CAD制圖軟件中，使用ZDM輔助設(shè)計(jì)軟件依次選擇 “土建”-“展開圖”-“生成Y型卜型岔管體型及相貫線”，根據(jù)軟件提示輸入岔管相關(guān)參數(shù)。 之后，軟件自動(dòng)計(jì)算并生成岔管平面展開圖，如圖4。

圖4 三梁岔管平面展開圖

（2）在生成岔管平面圖的基礎(chǔ)上，為便于管節(jié)預(yù)制定位， 可進(jìn)一步利用ZDM軟件來(lái)生成主管和支管展開圖，從而得到接口的平面形狀及其控制點(diǎn)參數(shù)。依次選擇 “土建”-“展開圖”-“按相貫線展開正圓臺(tái)”，根據(jù)軟件提示輸入?yún)?shù)后可得到主管和支管的平面展開圖，如圖5和圖6。之后，利用坐標(biāo)標(biāo)注命令，沿展開圖獲取主、支管坐標(biāo)表，以利于下料。

圖5 主管展開圖

圖6 支管展開圖

3 三梁岔管相貫線計(jì)算

3.1 相貫線平面曲線計(jì)算原理

岔管的結(jié)合部位易引起應(yīng)力集中，利用U梁和腰梁的局部加固和補(bǔ)強(qiáng)作用， 可有效改善管道連接處的受力狀態(tài)。 一般而言，對(duì)于大型管道，岔管均采用工廠預(yù)制。 在制作過(guò)程中，加固梁常沿相貫線布置，一般加于管殼之外，內(nèi)外緣均為空間曲線，其平面投影為橢圓弧線。因此，只有明確了相貫線的空間形狀后，方能進(jìn)行加固梁制作。岔管相貫線平面曲線理論計(jì)算方程如下［9］（計(jì)算圖如圖7，平面細(xì)部圖如圖8）。

圖7 岔管相貫線計(jì)算原理圖

圖8 三梁岔平面細(xì)部圖

3.1.1 FM線（橢圓）方程

3.1.2 NE線（橢圓）方程

3.2 工程計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算原理，利用軟件“水利水電計(jì)算程序集”中的“三梁式卜型岔管結(jié)構(gòu)計(jì)算”模塊，在軟件中輸入管道相關(guān)參數(shù)后， 可自動(dòng)計(jì)算出岔管相貫線的相關(guān)參數(shù)。值得注意的是，在軟件中應(yīng)對(duì)加固梁的橫截面形式進(jìn)行選擇。 加固梁的橫截面形式比較常用的有矩形和T形。 采用T形截面的目的是為了采用較薄的腹板獲得較大慣性矩， 而采用矩形截面的加固梁應(yīng)避免采用瘦高截面。 本工程設(shè)計(jì)為T形斷面。岔管相貫線計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 相貫線參數(shù)計(jì)算 單位：mm

結(jié)合計(jì)算數(shù)據(jù)，可繪制出U梁和腰梁的平面投影線，如圖9～圖11。

圖9 岔管U梁相貫線圖

圖10 岔管腰梁1相貫線圖

圖11 岔管腰梁2相貫線圖

4 實(shí)際工程應(yīng)用

北線引水工程安全隱患整改的計(jì)劃總工期為16個(gè)月，即2018年12月初至2020年3月底。 總工期按階段分三階段，即工程準(zhǔn)備期、工程施工期、工程完建期。 該工程為帶狀工程，工程建筑物布置較為分散，施工線路長(zhǎng)、涉周邊建筑物較多；同時(shí)該工程主要以土方工程、管道和混凝土工程為主，工程量較大，主體工程施工強(qiáng)度高。在施工過(guò)程中，岔管承擔(dān)著連通上游新建和下游已建管道的重要任務(wù)， 且其點(diǎn)位較多，整體施工難度較大。通過(guò)對(duì)岔管進(jìn)行科學(xué)的體型設(shè)計(jì)，保證了岔管施工的順利進(jìn)行，其施工現(xiàn)場(chǎng)如圖12。 工程實(shí)踐表明：結(jié)合ZDM和“水利水電計(jì)算程序集”對(duì)三梁岔管體型進(jìn)行設(shè)計(jì)，其精度符合施工的誤差要求，可對(duì)實(shí)際施工提供技術(shù)指導(dǎo)。

圖12 三梁岔管現(xiàn)場(chǎng)施工圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)相關(guān)規(guī)范確定岔管參數(shù)后，可利用ZDM輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行管道平面展開圖的繪制， 并得到主、支管控制點(diǎn)坐標(biāo)，以利于管道預(yù)制。

（2）主、支管相交處是岔管的受力薄弱處，須利用U梁和腰梁進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。根據(jù)岔管的相貫線平面曲線方程，結(jié)合“水利水電計(jì)算程序集” 中的相關(guān)程序可較精確得到U梁、腰梁的平面投影曲線，從而為加固梁的焊接提供技術(shù)指導(dǎo)。

（3）工程實(shí)踐表明，以上體型設(shè)計(jì)方法具有準(zhǔn)確可靠、簡(jiǎn)單快捷的優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)軟件和程序集的使用可大大簡(jiǎn)化眾多復(fù)雜公式推算才能得到坐標(biāo)、參數(shù)值，提高了工作效率和設(shè)計(jì)精度， 也很好地指導(dǎo)了實(shí)際施工。該方法可為今后類似施工提供一定借鑒和參考。