長(zhǎng)距離深槽大口徑沉管運(yùn)營期排水受力分析

路 佳

（南寧建寧水務(wù)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530031）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)以及城市化的推進(jìn)，市民對(duì)于生活用水的要求越來越高。為保障城市用水的質(zhì)量與安全，不少城市都修建了第二水源地工程，通過輸水管線將清潔的水資源輸向城市。沉管法施工具有施工周期短、工程造價(jià)低、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，因此是敷設(shè)河底管線時(shí)的一種常用的施工方法[1-5]。

由于大口徑沉管法輸水管線位于水下，很難從外部進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，因此通常需要先將其排空，然后再由操作人員進(jìn)入并進(jìn)行修理維護(hù)[6-9]。在浮力的作用下，管線會(huì)發(fā)生上浮，其結(jié)構(gòu)受力和變形也將發(fā)生變化，為操作人員和管線自身帶來一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了定量地研究管線在排水維護(hù)過程中受力變形的變化，本文建立了包含管線和河底地層的有限元模型，并對(duì)大口徑整體沉管的排水過程進(jìn)行了模擬，為實(shí)際工程提供理論參考。

1 工程概況

廣西南寧市邕江上游引水工程一期輸水管線工程需要穿越邕江，向河南水廠以及凌鐵水廠輸送原水。經(jīng)方案比選與專家論證，最終采用水下深槽沉管施工方案，保證了邕江兩側(cè)岸堤的穩(wěn)定性與抗?jié)B性，大幅降低了管線的施工費(fèi)用。

邕江水位的絕對(duì)標(biāo)高在67 m 左右，跨江管線長(zhǎng)度為438 m，采用一根φ2 620 mm×28 mm 鋼管。采用了水下溝槽開挖、管道焊接預(yù)制、整體管道下沉安裝的施工方法。為了滿足管道抗浮與防沖刷要求，管道覆土深度達(dá)到了4.5 m。為了節(jié)約施工時(shí)間及溝槽開挖量，沉管管道沿河道地形呈“V”字形布設(shè)，最低點(diǎn)絕對(duì)標(biāo)高為39 m，沉管縱斷面布置見圖1。邕江河床主要以圓礫為主，為了防止管道檢修過程中，空管因?yàn)楦×Χl(fā)生上浮，采用粒徑15～40 mm 砂礫石回填，并用石籠覆蓋，具體回填做法見圖2，回填后管道覆土厚度大約為2 400 mm。

圖1 水下管道縱斷面圖

圖2 下管道橫剖面圖

2 有限元計(jì)算

2.1 有限元模型基本參數(shù)

為了研究排水對(duì)管道受力變形的影響，選取了河床底部20 m 長(zhǎng)的管線與地層，建立如圖3 所示的三維有限元模型。地層分為河床和回填石塊兩部分，采用實(shí)體單元建立，開挖坡度為1∶3。如表1 所示，河床的地層主要為圓礫，彈性模量按照地勘報(bào)告中的壓縮模量選取，回填石塊為粒徑15～40 mm 的砂卵石，按照與圓礫相同的材料參數(shù)選取。沉管為直徑2 600 mm 厚度28 mm 的鋼管，本文中采用殼單元進(jìn)行模擬。

圖3 有限元計(jì)算模型

表1 材料參數(shù)表

在模型頂部設(shè)置250 kPa 水壓力，用以模擬河道表面的水壓力。輸水管道內(nèi)壁的水壓力按照靜水壓力來考慮，每一節(jié)點(diǎn)上的壓力與其深度呈正比。通過減小其管道內(nèi)部的水頭高度來反映維修過程中鋼管排水的過程，本文共計(jì)算了管內(nèi)水頭為30 m、24 m、18 m、12 m、6 m 以及0 m 的6 個(gè)工況。當(dāng)鋼管內(nèi)水頭為零時(shí)，表示鋼管已經(jīng)排空，浮力達(dá)到最大。

2.2 有限元計(jì)算結(jié)果

（1）管道上浮位移

圖4 是管道排水結(jié)束后的豎向位移，管內(nèi)壓力減小使管道直徑縮小。當(dāng)水頭高于管頂時(shí)，管內(nèi)水壓力的變化并不會(huì)引起管道中心的位移變化，當(dāng)水頭降至管頂以下時(shí)，管道在浮力的作用下出現(xiàn)向上位移。當(dāng)管內(nèi)水完全排空，鋼管中心整體上浮量達(dá)到2.21 mm。

圖4 管道頂部上浮量

（2）鋼管壁應(yīng)力變化

圖5 為管內(nèi)水頭為0 m 時(shí)每延米鋼管壓力分布，最大壓力主要分布于鋼管左右90°位置，最大壓力為每延米1 134 kN。鋼管壁厚為28 mm，可以得到各工況下鋼管的壓應(yīng)力變化，見圖5。鋼管在上覆土的作用下呈受壓狀態(tài)，內(nèi)水壓作用下會(huì)使管壁產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，從而抵消一部分壓應(yīng)力。如圖6 所示，隨著管內(nèi)水頭高度由30 m 降低至0 m（即空管），管壁的最大壓應(yīng)力明顯增大，由24.75 MPa 升高至37.64 MPa，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 輸水管道最大壓力（單位：N/m）

圖6 管壁最大壓應(yīng)力隨管內(nèi)水頭變化

（3）鋼管壁附加應(yīng)力計(jì)算

以30 m 水頭時(shí)的管壁壓應(yīng)力為基礎(chǔ)，繪制出各水頭高度對(duì)應(yīng)的管壁附加應(yīng)力，見圖7。

圖7 管壁附加應(yīng)力

可以通過內(nèi)水壓變化量來計(jì)算出管壁附加應(yīng)力：

式中：Δp0為排水引起的鋼管內(nèi)壁附加應(yīng)力；Δpw為鋼管內(nèi)平均水壓變化；D 為鋼管直徑；t 為鋼管壁厚。

從圖7 中，可以看出采用式（1）計(jì)算出的鋼管附加應(yīng)力與有限元計(jì)算結(jié)果基本一致。

3 結(jié) 論

本文以邕江輸水管線為例，采用有限元方法建立了河底輸水管線和周邊地層的力學(xué)模型。通過對(duì)沉管管道內(nèi)壓的調(diào)整，模擬了該段水平管線的排水維護(hù)過程。重點(diǎn)分析了管內(nèi)水位對(duì)管線環(huán)向受力以及豎向位移的影響，為保障管線運(yùn)營階段安全提供了理論依據(jù)與參考價(jià)值。本文所得到的主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)水頭高于管頂時(shí)，管內(nèi)水位對(duì)管線豎向位移影響較小。當(dāng)管內(nèi)水位低于管頂標(biāo)高時(shí)，隨著水位的降低管線出現(xiàn)上浮趨勢(shì)。

（2）管線在排水過程中，管壁環(huán)向以壓應(yīng)力為主。隨著管內(nèi)水頭的降低，管道所受浮力明顯增加，使管壁壓應(yīng)力增大。當(dāng)管內(nèi)水完全排空時(shí)，鋼管應(yīng)力達(dá)到最大，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。