市政給排水管道工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燕家琪

中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381

1 市政給排水管道工程概況

現(xiàn)有某市政給排水管道工程，自該工程所在地水庫取水，然后通過給排水管道將水輸送至水廠，隨后由水廠負(fù)責(zé)對當(dāng)?shù)仉姀S供水。此次給排水工程采用PCCP供水管道（預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管），管道直徑為1～1.5m，供水管道整體長度為12.63km。該工程所在地區(qū)氣候四季分明，但夏季雨水相對較少、溫度較高，冬季干冷、春秋兩季多風(fēng)沙，為了有效解決當(dāng)?shù)厝彼畣栴}，進(jìn)行了此次給水管道工程建設(shè)。

2 給排水管道工程現(xiàn)場勘探

在正式開展市政給排水管道工程建設(shè)前，需要到現(xiàn)場進(jìn)行勘探。在具體勘探時(shí)，要求在管道中線上布置勘探點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際地形情況，勘探點(diǎn)之間的距離應(yīng)控制在30～100m，如果管線附近地形變化較為復(fù)雜，應(yīng)適當(dāng)加大勘探點(diǎn)密度。除此之外，通過地質(zhì)勘探，在管道埋設(shè)深度范圍內(nèi)，應(yīng)查明地層的成因、巖性厚度及特征，明確巖層產(chǎn)狀與分化破碎程度，并把握對管道帶來影響的地質(zhì)活動斷裂帶的分布特征與性質(zhì)，同時(shí)需了解管道沿線工程地質(zhì)條件和地下水對管道帶來的腐蝕影響，以提供巖土工程參數(shù)與管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議[1]。

在此次工程中，經(jīng)過勘探單位勘探，主要得出以下信息：給排水管道供水管線地處傾斜平原地區(qū)，整體地形起伏變化比較明顯，且結(jié)構(gòu)較為松散，出露地形為第四系全新洪沖積，下更新統(tǒng)為低液限粉土、低液限黏土。其中，上部為低液限粉土，整體厚度為7～16m，下部為低液限黏土，厚度在10m以上。局部區(qū)域還分布有人工堆積物，堆積物組成除了包含建筑垃圾及生活垃圾，還包含一些雜填土。在該管道沿線區(qū)域，地下水埋深為16m，不會對管道工程建設(shè)帶來影響。

總之，此次排水管道工程現(xiàn)場地質(zhì)情況相對較為復(fù)雜，在后續(xù)管道工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)情況，保障管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，才能為后續(xù)排水管道工程的作用價(jià)值發(fā)揮奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 市政給排水管道工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 確定管道結(jié)構(gòu)形式

通常，在確定管道結(jié)構(gòu)形式時(shí)，一般由給排水專業(yè)相關(guān)人員負(fù)責(zé)。自來水廠一般采用承壓管，除了可以選擇PCCP管，還可以選擇玻璃鋼、PE管等。污水廠一般采用非承壓管道，但是當(dāng)管道承壓比較小時(shí)，為了體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性，可以采用如混凝土結(jié)構(gòu)、砌體蓋板涵等管道結(jié)構(gòu)。在一些特殊路段，如管線周邊有公路、鐵路等，也可以選擇鋼管形式。此次給排水工程主要采用PCCP管，管線接口則選擇承插口形式。

3.2 管道基礎(chǔ)選型

在進(jìn)行復(fù)核計(jì)算管道的剛度和強(qiáng)度時(shí)，需要充分考慮管道自身的規(guī)格、實(shí)際覆土深度以及地面承受的荷載。同時(shí)，還需要把握地下水位變化、試驗(yàn)壓力等關(guān)鍵信息，才能確保最終管道結(jié)構(gòu)配筋率計(jì)算的準(zhǔn)確性。其中部分管道需要專門進(jìn)行加固，以滿足管道強(qiáng)度要求。針對這些管道需要以實(shí)際計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，選擇合理的加固措施，如通過管廊包管或者采用混凝土包管，從而不斷提升管道強(qiáng)度，滿足管道實(shí)際運(yùn)行需求。在進(jìn)行管道計(jì)算時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)增加管道壁厚不夠經(jīng)濟(jì)合理，則可以采用加肋的方法進(jìn)行加固處理。具體的加固方式需要結(jié)合實(shí)際情況和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來確定。

在此次工程中，采用專業(yè)軟件UDP1.6進(jìn)行管道結(jié)構(gòu)計(jì)算。相關(guān)條件如下：鋼絲強(qiáng)度為1580MPa，鋼管厚度為1.5mm，纏絲應(yīng)力為1580MPa×85%=1343MPa（PCCP管纏絲應(yīng)力規(guī)定為鋼絲強(qiáng)度的85%），采用的活荷載為汽-20級重載車。從計(jì)算結(jié)果來看，針對強(qiáng)度等級為C60的1200mm管道，工作壓力為0.6MPa，保護(hù)層凈厚度為22mm，管芯壁厚為70mm，鋼絲直徑為5mm，1層纏絲層數(shù)，基礎(chǔ)包角為90°，配筋率為609mm2/m，螺距為32.2mm。針對強(qiáng)度等級為C55的1200mm管道，工作壓力為0.6MPa，保護(hù)層凈厚度為20mm，管芯壁厚為70mm，鋼絲直徑為5mm，1層纏絲層數(shù)，基礎(chǔ)包角為120°，配筋率為609mm2/m，螺距為32.2mm。同時(shí)，為了降低管道覆土規(guī)格種類，進(jìn)一步提升后續(xù)管道安裝的速度，避免在管道覆土后出現(xiàn)一些質(zhì)量隱患，針對路面之下的清水PCCP管道，基礎(chǔ)包角選擇120°。

3.3 管道敷設(shè)方式

為了科學(xué)合理地選擇排水管道敷設(shè)方式，需要結(jié)合實(shí)際管道的埋深以及地下障礙物分布等情況進(jìn)行綜合決定。一般情況下，管道敷設(shè)包含三種方式，即頂管敷設(shè)方式、溝埋敷設(shè)方式、架空敷設(shè)方式。其中，溝埋敷設(shè)方式應(yīng)用最為廣泛。如果實(shí)際條件不允許進(jìn)行溝埋敷設(shè)，可以選擇另外兩種敷設(shè)方式。通常而言，選擇的管道敷設(shè)方式不同，那么實(shí)際采用的管道結(jié)構(gòu)也會有一定的差異性。此次工程主要采用溝埋敷設(shè)方式，部分局部路段需要穿越鐵路障礙，因此采用了大直徑混凝土頂管敷設(shè)方式，頂管內(nèi)徑為2m，原管道直接從頂管之中穿過，主要由鐵路部門負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。

3.4 管道抗震設(shè)計(jì)

在明確具體的管線走向后，為了保證后續(xù)管線順利鋪設(shè)安裝，同時(shí)提升管道抗震性能，還需要規(guī)避一些不利于抗震的場地，如管道行進(jìn)線路要避開地震斷裂帶，不在薄弱地基位置設(shè)置管線等。但如果避無可避，則需要從管道自身入手，在考慮管道用途的基礎(chǔ)上，選擇一些抗震性能優(yōu)良的管道。如果是給水管道，要求管道應(yīng)具備良好的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)延展性優(yōu)良，抗折強(qiáng)度較強(qiáng)；如果是排水管道，可以選擇一些鋼筋混凝土管道，并采取合理的構(gòu)造措施，從根本上提升管道的抗震性能[2]。

在此次給排水工程中，針對管道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)充分考慮區(qū)域地震發(fā)生規(guī)律情況。在該區(qū)域中，地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.4s，地震抗震設(shè)防烈強(qiáng)度為7度?；谏鲜鲂畔?，在進(jìn)行管道抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重進(jìn)一步強(qiáng)化管道的抗震性能。從以往管道抗震經(jīng)驗(yàn)來看，地震多會對管道接口位置造成較大的破壞，因此需要注重加強(qiáng)PCCP管道的接口抗震設(shè)計(jì)，提升接口的抗剪與變形能力，使其具備優(yōu)良的抗震性能。

3.5 管道構(gòu)造措施

在該工程中，針對給排水管道的構(gòu)造，要先處理好地基，在這一過程中，需結(jié)合縱橫斷面圖、平面圖做好設(shè)計(jì)圖的處理。同時(shí)，針對需要處理的地段進(jìn)行矢量化掃描，并以此為依據(jù)合理選擇參考點(diǎn)，最終立足地質(zhì)縱斷面之上，做好管道基地輪廓線的設(shè)置。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)做好地質(zhì)單元的合理劃分，并做好基底高層及樁號的標(biāo)注，尤其是要注意標(biāo)明地下水位及地基以下的土層構(gòu)造。然后以樁號劃分為依據(jù)，進(jìn)一步明確需要進(jìn)行處理的部分，并針對該區(qū)域?qū)嶋H的地質(zhì)情況，選擇合理的處理方法。

該工程中樁號為0+001～1+348.6的地段持力層為上更新洪沖積上部低液限粉土，該地基土承載力建議值為80～90kPa，可以進(jìn)行臨時(shí)開挖邊坡，邊坡比建議控制在1∶0.8～1∶1。該工程面臨的主要問題是濕陷性土問題，該濕陷土整體厚度為6m，濕陷等級為一級。建議在管道的底部，設(shè)置灰土墊層，墊層厚為0.6～1m，從而有效改善地基土濕陷性問題。

在后續(xù)進(jìn)行管道施工時(shí)，受下雨或者地下水位升高等因素影響，可能會出現(xiàn)浮管問題，因此在實(shí)際處理構(gòu)造時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)浮管的預(yù)防工作，采取有效的抗浮措施，降低浮管發(fā)生概率。在進(jìn)行抗浮計(jì)算時(shí)，首先需要計(jì)算管道質(zhì)量，以管壁厚100mm的PCCP管為例，該管道自重為840kg。然后計(jì)算回填土重量，該工程回填土壓實(shí)系數(shù)為0.87，通過地質(zhì)勘探得出的土樣最小干密度為0.975kg/m3，那么回填土的壓實(shí)密度為上述二者的乘積，計(jì)算結(jié)果為848kg/m3，即可求出覆土質(zhì)量。最后采用公式計(jì)算出最大浮力=ρ液·g·v[3]，其中，ρ液為浸入溶液密度，kg/m3；v為管道體積；g為重力加速度，取9.8N/kg。將最大浮力與管道自重+管道覆土進(jìn)行對比，即可得出抗浮數(shù)值。在采用混凝土進(jìn)行管道包封時(shí)，應(yīng)注意做好混凝土對管道浮力的計(jì)算，并采取有效措施，加強(qiáng)對管道的固定。

4 結(jié)束語

綜上所述，在市政給排水管道工程中，管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常重要的工作，為了從根本上提升管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量水平，需要做好地質(zhì)勘探工作，全面了解管線周邊地質(zhì)情況。同時(shí)，要從管道敷設(shè)、管道抗震、管道基礎(chǔ)選型等多方面入手，加強(qiáng)管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐，從而為后續(xù)管道施工以及穩(wěn)定良好運(yùn)行提供有力保障。