打壓管在輸水管道工程中分段水壓試驗的應用

張 巖

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概述

為實現(xiàn)水資源合理配置，長距離輸水管道工程越來越多，尤其是大口徑輸水管道不斷出現(xiàn)，其中PCCP管就是目前常用的大口徑輸水管道之一。20世紀80年代末我國引進PCCP管的生產(chǎn)技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)PCCP管最大管徑已達4 m。

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)是以鋼筒混凝土為管芯，在混凝土管外纏繞環(huán)向預應力高強鋼絲，在鋼絲表面噴20 mm以上的砂漿保護層。管道承插口采用鋼板冷加工成型、公差配合，加工精度高，插口密封采用雙膠圈，密封性能好。具有鋼管抗?jié)B、抗拉的優(yōu)點，又具有混凝土管耐腐蝕、耐磨損和抗外壓的優(yōu)勢，使用壽命長，能承受較高的內(nèi)壓和外壓荷載，管材的管件配套齊全、簡便、可靠。PCCP管體為剛性管，而接頭采用承插式，具有可撓性，整體上屬柔性設(shè)計，是較好的防震管材。

根據(jù)《預應力鋼筒混凝土管》(GB/T 19685—2017)，預應力鋼筒混凝土管的公稱內(nèi)徑為DN400～DN4 000，管線運行工作壓力或靜水頭不超過2.0 MPa。目前國內(nèi)PCCP管的最大工作壓力可做到2.0 MPa，國外PCCP管工作壓力最高可達4.1 MPa以上，最大管徑可達DN7 600，使用壽命可達50 a。由于PCCP管的生產(chǎn)線可遷移至施工現(xiàn)場，降低了運費，所以其綜合造價尤其在同等大口徑管材中經(jīng)濟效果明顯，在長距離、大口徑輸水工程中已廣泛應用。

PCCP管安裝并經(jīng)過接頭打壓合格后，為保證管道安全運行，還需進行管道分段水壓試驗[1-2]。

2 管道水壓試驗分段及后背堵板要求

2.1 規(guī)范中水壓試驗分段及后背堵板規(guī)定

PCCP管水壓試驗，目前所依據(jù)的規(guī)范有《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)《預應力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》(SL 702—2015)等。

在以上規(guī)范中，管道安裝完成，應進行管道功能性試驗，其中包括管道水壓進行試驗。管道水壓試驗的試驗長度除設(shè)計另有要求外，不宜大于1.0 km。對于無法分段試驗的管道，應由工程相關(guān)部門根據(jù)工程具體情況確定。在分段水壓試驗處設(shè)置后背[3]及堵板[4]以抵抗水壓試驗壓力。

2.2 工程中管道水壓試驗分段及后背堵板要求

由規(guī)范可以看出，管道安裝完成后應進行水壓試驗。通常在試驗管段兩端用堵板封閉管道，采用開挖基坑作為后背天然支撐面，在土體支撐面上設(shè)置鋼筋混凝土板作為千斤頂?shù)暮笞?，千斤頂另一端頂撐在堵板上，以抵抗試壓時傳遞過來的水壓力，同時保證水壓力通過堵板段均勻傳到后背。試驗過程中加強監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)后背墻有明顯被壓縮的跡象，將立刻停止水壓試驗，對后背進行加固或調(diào)整千斤頂?shù)纳炜s長度，確保管道在有效承插口范圍內(nèi)不被拔出，以保證水壓試驗安全有效。待水壓試驗完成后拆除后背鋼筋混凝土板，再繼續(xù)后續(xù)安裝工作。

一般室外供水管道長度都較長，少則數(shù)十公里，多則幾百公里，并且分段長度有限，如果按照1 km分段水壓進行試驗，則管道將需不斷進行分段，且傳統(tǒng)水壓試驗采用后背支撐，嚴重影響施工的連續(xù)性及施工進度，有時還需在后背支撐工作面處增加合攏管，增加施工費用。

對長距離輸水管道安裝及分段水壓試驗，經(jīng)過長期探索總結(jié)，考慮室外長距離供水管道長，分段長度除首段采用約1.0 km外，其余分段長度可不大于10.0 km，在分段水壓試驗困難情況下，水壓試驗分段長度可根據(jù)實際情況更長，甚至分段長度達20 km以上。分段長度增加，則將大大減少分段數(shù)量并可加快施工進度，降低費用。

對于分段處傳統(tǒng)采用后背及堵板，如分段水壓試驗采用后背及堵板，則嚴重影響施工進度。根據(jù)工程經(jīng)驗并研究后，在分段打壓處可采用“打壓管”[5-7]替代后背及堵板。以已建成某PCCP輸水管道工程為列，該工程全長為90 km，全線采用重力流輸水方式，輸水管采用DN3 200的PCCP管，管道設(shè)計承壓值為0.6～1.2 MPa，管芯厚度為280 mm，單根管道有效長度為5 m?？紤]該工程線路長，地形起伏較大，分段水壓試驗長度首段為800 m，其余段不大于10 km，分段多，分段水壓試驗采用“打壓管”方式進行。

安裝在PCCP管道中的“打壓管”通常按照1節(jié)標準PCCP管制作完成(打壓管示意見圖1，現(xiàn)場已安裝并進行充水的打壓管示意見圖2)，僅將材質(zhì)由鋼筒混凝土調(diào)整為鋼材，有效長度為5 m，在打壓管中間設(shè)置雙向鋼制堵板，打壓管鋼材厚度、堵板厚度需經(jīng)過計算確定，尤其是堵板鋼板一般較厚，并且需要增加隔板撐梁雙向加固。在堵板兩側(cè)設(shè)置進人孔，進人孔一般采用法蘭盲板[8]封堵?？杉孀鲎⑺ǖ?，待水壓試驗完成后，由進人孔進入，割除中間堵板并進行防腐處理完成后便可投入使用。本工程中的打壓管采用Q355C鋼，根據(jù)計算，打壓管管壁厚度為20 mm，中間堵板厚為34 mm，堵板上下游加強肋板厚為34 mm，高為350 mm，間排距為400 mm，可滿足水壓試驗承載力要求。堵板兩側(cè)進人孔考慮進人操作及減少費用等綜合因素，孔徑采用DN600。

圖2 已安裝并充水的打壓管示意

管道理想安裝狀態(tài)為連續(xù)安裝，將打壓管按照普通標準管進行連續(xù)安裝，即可加快進度，又可節(jié)省后背支撐費用，但在實際施工過程中會存在管道合攏問題。一方面，在管道安裝過程中，一般會存在不同工作面同時施工問題，兩個工作面在相向安裝過程中，必然存在合攏情況出現(xiàn)，在施工時可事先做好施工計劃，將合攏位置基本控制在平直段，可將合攏管與打壓管合二為一，起到兼顧合攏打壓作用。另一方面，施工過程中，存在鋼制管配件供應與安裝不匹配問題，當管溝開挖完成后，如管配件(如進排氣三通等鋼制管件)不能及時供應，或因管線上某些障礙物未及時完成拆遷，而現(xiàn)場工期要求又非常緊的情況下，均可造成局部跳過鋼制管件而繼續(xù)安裝標準PCCP管，造成不連續(xù)工作面。在跳開位置，一般PCCP管無法完成合攏連接，通常以3節(jié)鋼制管件焊接完成合攏，在跳開位置進行合攏如能與打壓管結(jié)合，將有利于降低費用加快施工。

2.3 打壓管后背支撐

打壓管后背支撐采用其后已連續(xù)安裝的PCCP管替代傳統(tǒng)的后背墻。采用打壓管打壓時，可省去后背墻等相關(guān)設(shè)施。圖2中的打壓管采用承插接口與相鄰PCCP管連接，打壓管后背采用已經(jīng)安裝好的PCCP管做支撐，當完成水壓試驗后，將堵板拆除，封閉進人孔并防護后進行回填至設(shè)計高程，實現(xiàn)管道貫通。

打壓管作為水壓試驗的中間分割點，其抵抗水壓試驗的水壓力完全靠打壓管后已經(jīng)安裝的PCCP管的支撐，PCCP管的支撐力依靠PCCP管與回填土體之間的摩擦力。摩擦力包括管道自重與土體摩擦力，周圍回填土壓力作用在管道上的摩擦力。根據(jù)《預應力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》(SL 702—2015)的要求，管道水壓試驗前，管道兩側(cè)及管頂以上回填高度不應小于0.5 m，工程實際中為增加土壓力的摩擦力，并考慮施工回填方便，往往直接回填至設(shè)計回填高程，回填覆土厚度一般不小于凍土層深度。

為能有效傳遞打壓管承擔的水壓力，打壓管應設(shè)在管道平直段上，從而保證在水壓推力作用下，軸向力沿管軸線方向傳遞，避免相鄰存在夾角的管道因受偏心力作用破壞承插口，進而破壞已安裝的管道。

為減少打壓管堵板承受的水壓力，盡可能將打壓管設(shè)置在相對較高位置，在相對較高位置處，打壓管承擔的相對水頭較低，在打壓管堵板面積一定情況下，將承受較小的推力，可減短其后直線段安裝的管道長度，較少受轉(zhuǎn)彎的影響，有利于在平面軸線及縱斷面軸線上靈活設(shè)置打壓管。

利用打壓管打壓時，維持其穩(wěn)定的是其后已經(jīng)安裝好的未充水的PCCP管，有時在打壓完一側(cè)后，已經(jīng)充水的一側(cè)管道中水可以不抽排重復利用而儲存在管道內(nèi)，當充水打壓另一側(cè)時，已經(jīng)打壓過未抽排水一側(cè)的管道因管道水重作用可增加一部分抗滑穩(wěn)定力，更有利于安全支撐。

依據(jù)《預應力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》(SL 702—2015)表6.5.3-2中管道與地基之間的摩擦系數(shù)f可知，根據(jù)管道周圍回填土性質(zhì)取f=0.25，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取2，根據(jù)打壓管所在位置處試驗水壓力、管頂覆土厚度為2.0 m，計算確定DN3200的打壓管后安裝并回填管道最小長度見表1。

表1 打壓管后管道最小安裝長度

在水壓試驗[9-12]過程中應對打壓管本身沿管軸線方向位移量進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)可能造成承插口密封失效的位移量，應立即停止水壓試驗，并進行妥善處理后方可繼續(xù)進行。

已安裝的PCCP管作為打壓管的后靠背，支撐管在設(shè)計給定的“安裝并回填管道最小長度范圍”內(nèi)的PCCP接頭砂漿嵌縫必須確保密實飽滿并有足夠強度，以保證均勻可靠傳遞打壓管軸向推力。

本工程水壓試驗按照設(shè)計的水壓試驗技術(shù)及相應的平直段支撐長度進行水壓試驗，并在嚴密的監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測下，打壓管未有位移變化，圓滿完成水壓試驗。

2.4 利用打壓管進行水壓試驗應注意的問題

1) 打壓管應設(shè)在管道平直段上且相對較高位置；

2) 確保管道周圍回填土壓實指標應滿足規(guī)范及設(shè)計要求；

3) 水壓試驗時應嚴格按照規(guī)范及設(shè)計要求緩慢升壓降壓；

4) 管道接頭填縫水泥砂漿強度應滿足水壓試驗抗壓強度要求，避免水壓試驗擠壓管縫時壓碎水泥砂漿，造成承插口脫落；

5) 打壓管進人孔應滿足進人及有利于大塊取出切割堵板的空間要求。

3 結(jié)語

本工程中利用“打壓管”對較大管徑的PCCP管成功完成水壓試驗，事實充分表明“打壓管”在長距離供水工程水壓試驗中是可以充分發(fā)揮作用的?！按驂汗堋钡氖褂茫欣诠艿肋B續(xù)安裝、減少后背、加快施工進度，是值得供水工程水壓試驗廣泛應用的技術(shù)方案，可供類似管道工程參考。