某長距離引水工程管道設計方法研究

徐三才

(富邦建設集團有限公司，江西 九江 332400)

1 工程概況

某新建長距離輸水工程，輸水建筑物以管道工程為主，管道工程由輸水管、倒虹吸及提水管道三部分組成，干線及支線管道總計152條，總長532.27m，設計流量9.24-0.022m3/s，管徑3.0-0.2m，設計壓力4.4MPa-0.1MPa。管道沿線總體布置結合地形、地質條件、流量大小、水頭高低和跨越河流、溝渠、道路和支承形式等情況，采用了明管、淺埋管、鋼筋混凝土包管、架空管和地下埋管等多種不同的布置方式。

2 設計方法及理念

2.1 輸水管布置方法

工程輸水管及倒虹吸首末端一般與箱涵、隧洞、泵站進水池等建筑物相接，在輸水管及倒虹吸的進出口設置進出水池以滿足水面線銜接要求。管線布置時，地形較陡的坡面以明管敷設，地形平緩地帶、農田，為便于保護耕地及減少人機活動對管道的影響，采用埋管形式。與公路、河流、溝谷等交叉處，根據(jù)跨越地物的特征、跨度及墩架布置條件，采用高支墩架空管、鋼筋混凝土或鋼結構管橋上敷設管道及架空圓弧管等形式從上部跨越，或者采用鋼筋混凝土包管、交叉涵洞內敷設管道等形式從下部穿越。此外，管線較長或地形坡度上下起伏較多時，在較低、較高點位置設置排氣及排(泥)污設施。

2.2 管材比選方法

該工程中管材占投資的比例較大，管材選用不當會增加不必要的投資，管材的選取以節(jié)省投資、便于施工、運行安全為原則，結合工程規(guī)模、適用性、工程地質地形、引水流量、工作水頭及工程的工期要求等綜合考慮選取管材。

根據(jù)管材選擇原則，該工程提水管均選用各項性能較穩(wěn)定的Q355C鋼管，輸水管及倒虹吸的管材可在鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)等管材之間進行比選，具體比選過程不再贅述。經各種管材綜合比較后，該工程輸水管及倒虹吸可采用鋼管、K9級球墨管及預應力鋼筒混凝土(PCCP)管三種管材。

2.3 管徑選擇方法

根據(jù)工程總體布置，結合灌區(qū)規(guī)劃要求，對于水頭有限的輸水管及倒虹吸，結合管道工程造價，合理降低流速，對水頭富裕的輸水管及倒虹吸，可充分利用水頭，盡可能提高管內流速，減小管徑以節(jié)約管道工程量，從而減小工程造價；另外，為整體上控制單個倒虹吸水損，便于小流量工況的運行、消能，對長度較長或使用管材糙率較大的倒虹吸適當增大管徑。

2.4 其他設計

管道水力設計：管道進口水位淹沒深度滿足各流量工況下的淹沒深度要求，具體按《水利水電進水口設計規(guī)范》要求確定，并滿足最小淹沒深度≥2.0m的要求；為保證水流穩(wěn)定，倒虹吸出口在各流量工況下也應有一定的淹沒深度，其淹沒深度依據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》要求確定。

結構設計：壓力鋼管結構設計，包含壓力鋼管應力計算和抗外壓穩(wěn)定校核，各斷面的應力計算及校核公式按《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》選用，選取跨中及支座、加勁環(huán)等斷面進行強度校核。球墨鑄鐵管道除滿足結構強度要求外，還需滿足正常使用的要求，包括抗浮、抗滑、地基承載力，正常使用狀態(tài)驗算荷載均使用標準值。

鎮(zhèn)、支墩結構設計：除尺寸設計外，鎮(zhèn)、支墩設計還應包括地基承載力計算以及抗傾覆穩(wěn)定計算等，具體結構設計參照相關設計規(guī)范。

3 管道典型設計

典型輸水管長度為8.23km，管徑為D=2.2m，從布置上根據(jù)地形地質及盡量減少永久征占地，采用明埋結合的布置形式，從管材上選擇了PCCP管和Q355C鋼管兩種不同管材相互交替使用的方式，也是本輸水干線管道工程中管徑最大的輸水管，因此選取該輸水管作為典型建筑物設計。輸水管由供水管道、鎮(zhèn)墩、閘閥房(井)等建筑物組成，上下游建筑物均為管道，不設進出水池，直接與上下游管道連接。

3.1 管線布置

新建輸水管道沿線地形平緩，屬緩坡，坡度在12°-36°，地表大部為第四系沖洪積層，厚度2.5-10.0m不等，以耕植土、粉質黏土、砂卵礫石為主，下伏基巖為紫紅色泥巖夾鈣質泥巖、泥灰?guī)r，埋深較深，沿線斷裂、褶皺不發(fā)育，也無對管道有影響的不良物理地質體，地下水活動微弱，以松散層孔隙水為主。管道基礎大部置于沖洪層粉質黏土或砂卵礫石層上，結構密實，承載力可滿足要求，基礎開挖邊坡全為土質邊坡，透水性中等，地基土中無粉砂、粉砂土，不會發(fā)生地震液化，邊坡及基礎中等穩(wěn)定。

在壓力管道轉彎處設置鎮(zhèn)墩，明管段和管橋段每隔8m設一支墩，所有鎮(zhèn)墩、支墩均采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆，所有管道直埋段管頂覆土厚度≥2m。在管道管段最低點設置放空閥和承壓式進人孔，由于管道進口連接主干渠道，管道運行過程中隨時都有空氣進入管道，因此，在管道中間高點設置復合式排氣閥，以便隨時排出管道中的空氣[1]。

3.2 管材選擇

從各種管材的投資方面看(未考慮運輸及安裝費用)，管材投資由大到小依次為：球墨鑄鐵管、鋼管、玻璃鋼夾砂管、預應力鋼筒混凝土管、預應力混凝土管。

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術規(guī)程》中相關規(guī)定，當?shù)刭|條件較好，使用壓力較低(1.0MPa以下)時，對中小口徑輸水管道，通過比較選擇球墨鑄鐵管、塑料管、夾砂玻璃鋼管、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、預應力鋼筋混凝土管等管材；對大口徑輸水管道，可通過比較選擇預應力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管、鋼管。對單條重要的大口徑輸水管道，或地質條件較差、使用壓力較高(1.0MPa以上)時，宜選用鋼管。當輸水管道穿越河流、鐵路等時宜選擇鋼管。鋼管承擔內壓高，結構安全可靠，能適應各種地形，適應不良地基變形的能力好，對內水壓力水頭超過100m的管段，考慮接頭的可靠性及運行安全，管材選用鋼管。

輸水管長為8230m，最大設計內水壓力為0.55MPa，擬定管徑D=2.2m，管線沿線地形坡度起伏不大，坡度為12-36°，典型管段地勢平坦，后斷坡度基本趨于0°，管線沿途穿越土壤肥沃的農田，為少占耕地及減少人機活動對管道的影響，采用適宜較大埋深的PCCP管，地面起伏較大跨河跨箐處，坡度12°-36°，無耕地，為明管布置，管材采用適宜沿山坡布置適應變形的能力強的Q355C鋼管。典型輸水管設計基本參數(shù)見表1[2]。

表1 典型輸水管設計基本參數(shù)表

3.3 水力計算

典型輸水管水力計算包括水頭損失、水錘及過流能力計算。該輸水管長度8230m，設計流量Q=4.0m3/s，管徑D=2.2m，流速v=1.03m/s，本階段水錘壓力按靜水壓的25%計算，則最大水頭為55m，在該水頭下輸水管正常運行，千米水頭損失為0.405m，最大過流能達到4.1m3/s，>設計流量4.0m3/s，滿足過流能力要求。具體水力計算成果見表2。

表2 典型輸水管水力計算成果表

3.4 結構設計

典型輸水管為明埋相結合的布置形式，埋管采用PCCP管(1.0Mpa)，明管采用Q355C鋼管。

3.4.1 鋼管部分的結構計算

1)管壁估算

典型輸水管鋼管段長380m，管徑D=2.2m，最大設計壓力為0.44MPa，經過計算初選管壁厚度為16mm進行抗外壓穩(wěn)定計算。

2)抗外壓穩(wěn)定校核

本工程明鋼管外壓力按0.5倍大氣壓考慮，即0.05MPa，輸水管光面管的臨界外壓計算見表3。

表3 輸水管光面管臨界外壓pcr與所受外壓pok計算成果表

由以上計算表可得知，管壁厚為16mm時，光面管Pcr=2.0，即Pcr

3.4.2 PCCP管段設計

典型輸水管總長8230m，其中PCCP管(1.0Mpa)段長7850m。管道采用埋管形式，內徑2.2m，正常運行時內水壓力均為0.55MPa，上部覆土厚度2.7m，管槽兩側坡比為1:0.5，管基采用120°包角中、粗砂墊層，厚0.3m。

1)抗浮計算

典型輸水管布置于沿河左岸農田，地下水位線較高，按地下水位線低于地面1.0m、覆土總厚度2.7m考慮。計算抗浮選用管內無水工況，土體濕容重γ1取16kN/m3，浮容重γf取6.2kN/m3，管身每米重Gg=30.4kN，管外徑D1取2.53m。經計算，每米管道向下的作用力為：管道自重Gg=30.4kN，覆土重量Gs=57.85kN，向上的作用力浮力Ff=38.0kN，抗浮安全系數(shù)Kf=2.32，>導則規(guī)定的系數(shù)Kf=1.1，滿足要求。

2)地基承載力計算

計算地基承載力采用管內滿水工況，按地下水位線低于地面1.0m、覆土總厚度2.7m考慮。輸水管表層土多為粉質黏土、淤泥質黏土、粉土，以淤泥質黏土強度最低，承載力特征值為110-130kPa，其他均在120kPa以上。以淤泥質黏土為典型進行承載力修正，承載力特征值取fak=120kPa，基底埋深為d=5.0m，土體濕容重γ1仍采用16kN/m3，加權重度γm計算得6.2kN/m3。每米管道向下的作用力為：管道自重Gg=30.4kN，覆土重量Gs=57.85kN，水重WD=39.367kN，對回填土ηb取0，ηd取1.5，經修正后fa=147.90kPa，>基底壓力pk=127.61kPa，地基承載力滿足要求。對地基經擾動后承載力降低情況，根據(jù)需要采用換填或改變管基型式等處理措施，使承載力滿足要求。

3)沉降計算

根據(jù)地質勘測成果，地基天然分層較多且不均勻，物理力學指標復雜多變，其中淤泥質黏土壓縮模量為0.6-1.3MPa，粉質黏土壓縮模量為2-4MPa。為簡化計算，按地層為單一土質，分別取淤泥質黏土和粉質黏土為代表進行計算，不考慮壓縮模量隨土應力區(qū)間的變化，回填土壓縮模量取4MPa，粉質黏土壓縮模量取2MPa。計算至規(guī)范要求地層深度，按回填土地層時沉降量為45mm。管道基底附加應力為127.61kPa，相對較小，但按地層為淤泥質黏土計算時沉降量仍較大，考慮地基整體上沒有發(fā)生突變，全管段發(fā)生同步沉降仍不影響運行，標準管節(jié)長為5m，各管段間采用承插接口相連，接口設兩道橡膠止水圈，不均勻沉降量在接口處可逐段調節(jié)，對地基有較好的適應能力，在地基特性緩慢變化的情況下能滿足運行要求[3]。

3.5 鎮(zhèn)墩結構設計

鎮(zhèn)墩體積取決于鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定所需的重量，且按最不利工況確定鎮(zhèn)墩重量。結合地質地形條件及鎮(zhèn)墩最小構造要求，最終確定明管段的鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定及基底應力計算結果見表4。

表4 典型輸水鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定及基底應力計算成果表(部分)

計算結果表明：各鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定滿足要求；鎮(zhèn)墩基底應力最大溫升工況為234.52kPa，最小應力出現(xiàn)在溫降工況為5.98kPa，均滿足承載力要求。

4 結論和建議

以典型管道設計為例，從管線布置、管材選擇、水力及結構計算、鎮(zhèn)墩設計等方面進行研究，總結經驗方法，從而提高工作效率，減少工作量，為設計工作減少不必要的人力財力浪費。此外，管道防腐也是管道設計的重點，應嚴格按照相關規(guī)范進行防腐設計。