輸水管道跨越廊涿干渠方案研究

趙璐瑤

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，天津 300250）

1 工程概況

河北省農(nóng)村供水保障體系省級(jí)籌建工程涿州市項(xiàng)目是以南水北調(diào)中線工程為水源， 通過(guò)新建地表水廠和輸水管道，實(shí)現(xiàn)向農(nóng)村延伸供水，置換原有地下水開采。 本工程涿州市農(nóng)村受水區(qū)人口34.3萬(wàn)，新建東城坊地表水廠和松林店第二地表水廠， 新建水廠以上輸水管道1.4km，新建水廠至配水站輸水管道51.8km， 其中水廠以下輸水管道南支管線（DN500）向南至孫莊配水站輸水， 與南水北調(diào)配套廊涿干渠交叉。 交叉處廊涿干渠樁號(hào)LZ1+780，廊涿干渠在涿州境內(nèi)自三岔溝口門向東雙管鋪設(shè)， 管材為預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP），單管管徑DN2400，干渠管頂覆土深度2.5m， 干渠左側(cè)管頂以上0.5m處敷設(shè)有通信光纜。

2 跨越方式比選

2.1 水平定向鉆施工方案

本工程跨越處地層主要為第②3細(xì)砂層（Q43alp）、第②6層卵石（Q43alp），卵石含量較多，粒徑較大，根據(jù)水平定向鉆和地層條件的適應(yīng)性關(guān)系， 該處地層為松散-密實(shí)卵礫石層［2］，不適合進(jìn)行水平定向鉆跨越，施工難度大。

2.2 頂管方案

當(dāng)土層中礫石含量大于30%或粒徑大于200mm的礫石含量大于5%時(shí)，不宜采用頂管施工［3］。本工程跨越處地層卵石含量較多，粒徑較大，不適合采用頂管跨越方案，施工難度大。

2.3 人工開挖跨越方案

采用人工開挖方式跨越廊涿干渠，開挖施工是最常見的施工方法，施工簡(jiǎn)單，投資較低，安全且質(zhì)量利于控制，但受埋設(shè)深度的限制，輸水管道管頂覆土較淺， 且在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)影響廊涿干渠的檢修。

綜合分析， 廊涿干渠自LZ0+000～LZ7+700范圍內(nèi)地層情況均為卵礫石層，卵石含量較多，且厚度較大， 輸水管道跨越廊涿干渠不適合采用水平定向鉆及頂管施工方案， 本工程確定采用人工開挖施工方式跨越南水北調(diào)配套廊涿干渠。 輸水管道與廊涿干渠交叉角度89°，跨越長(zhǎng)度50m，跨越段管材采用涂塑鋼管，鋪設(shè)輸水管道管中心標(biāo)高54.82m，廊涿干渠管中心標(biāo)高52.38m， 輸水管道與廊涿干渠垂直凈距0.75m，與通信光纜垂直凈距0.25m，輸水管道管頂覆土1.22m。 施工時(shí)需先探測(cè)廊涿干渠和通信光纜的具體位置，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求人工開挖及回填，不得擾動(dòng)廊涿干渠，不得破壞通信光纜。

3 管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)GB50332—2002《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、CECS141∶2002《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，對(duì)一般直埋段涂塑鋼管D529×8進(jìn)行荷載計(jì)算、強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定計(jì)算、抗浮計(jì)算和剛度計(jì)算。 D529×8在1.5m的覆土情況下即滿足鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算要求，但是《其他工程跨越下穿鄰接河北省南水北調(diào)配套工程設(shè)計(jì)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)要求》 中規(guī)定管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提高一個(gè)設(shè)計(jì)等級(jí)，為了體現(xiàn)技術(shù)要求，所以強(qiáng)調(diào)提高了一個(gè)等級(jí)，最終選用D529×10。

3.1.1 荷載計(jì)算

式中 G1k為鋼管管道自重（kN/m）；D0為鋼管管道計(jì)算直徑，按圓心至管壁中線計(jì)算（m）；t為管壁設(shè)計(jì)厚度（m），取0.008m；γst為鋼管管材重度，78.5kN/m3。 經(jīng)計(jì)算，D529×8鋼管管道自重1.03kN/m。

式中 Fsv，k為豎向土壓力 （kN/m）；γs為回填土重度（kN/m3），21kN/m3；Hs為管頂至設(shè)計(jì)地面的覆土高度（m）；D1為管外壁直徑（m），0.529m。 經(jīng)計(jì)算，豎向土壓力為13.74kN/m。

水的重度標(biāo)準(zhǔn)值取10kN/m3，經(jīng)計(jì)算，鋼管內(nèi)水重Gwk=2.07kN/m。

式中 Fwd，k為鋼管管道的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力， 不小于900kN/m2；Fwk為鋼管管道的工作壓力，400kN/m2。

鋼管管道在運(yùn)行過(guò)程中可能產(chǎn)生的真空壓力，取Fvk=50kN/m2。地面堆積荷載qmk=10kN/m2。地下水埋深大于8m， 管道埋設(shè)在地下水位以上， 無(wú)需計(jì)算抗浮。

3.1.2 強(qiáng)度計(jì)算

鋼管管道強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)滿足：

式中 f為鋼管管材或焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)；η為應(yīng)力折算系數(shù)，取0.9；γ0為管道結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；σθ為鋼管管壁截面的最大環(huán)向應(yīng)力（N/mm2）；σ為鋼管管壁截面的最大組合折算應(yīng)力（N/mm2）。 經(jīng)計(jì)算，ησθ=91.10N/mm2，γ0σ=129.56N/mm2，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

3.1.3 穩(wěn)定計(jì)算

進(jìn)行埋地柔性管道的管壁環(huán)向穩(wěn)定性計(jì)算，在地面堆積荷載工況下管壁截面壓力為171.95kN/m2，管壁截面失穩(wěn)的臨界壓力標(biāo)準(zhǔn)值為2099.84kN/m2，滿足穩(wěn)定性要求。

3.1.4 剛度計(jì)算

鋼管管道在準(zhǔn)永久組合作用下的最大豎向變形驗(yàn)算，應(yīng)滿足：

經(jīng)計(jì)算，ωd，max=0.003mm，φD0=15.63mm， 滿足變形要求。

直埋段涂塑鋼管D529×8滿足在承受內(nèi)水壓力、外水壓力、 土壓力情況下的強(qiáng)度、 剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)《其他工程跨越下穿鄰接河北省南水北調(diào)配套工程設(shè)計(jì)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)要求》，跨越配套工程管理范圍和保護(hù)范圍內(nèi)的管道結(jié)構(gòu)（如管道壁厚、管道防腐等）設(shè)計(jì)應(yīng)在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提高一個(gè)設(shè)計(jì)等級(jí)，以降低工程失事的概率。 本工程跨越廊涿干渠的輸水管道選用D529×10涂塑鋼管， 基材選用螺旋焊管，材質(zhì)Q355C，內(nèi)防腐采用涂熱熔結(jié)環(huán)氧樹脂粉末，外防腐采用外熱涂聚乙烯。

3.2 干渠頂部荷載驗(yàn)算

涂 塑 鋼 管D529×10 自 重1.28kN/m， 水 容 重 取10kN/m3， 管道中充滿水時(shí)每延米重量3.31kN/m；未鋪設(shè)管道時(shí)，管道位置每延米土重量（土天然容重取18.7kN/m3）為4.11 kN/m。 即管道充滿水時(shí)每延米重量小于管道位置原土每延米重量， 鋪設(shè)輸水管道不增加干渠頂部荷載，不會(huì)對(duì)干渠結(jié)構(gòu)造成影響。

4 跨越段管道支撐設(shè)計(jì)

直埋式跨越方案施工簡(jiǎn)單、投資較小，但在運(yùn)行過(guò)程中管道發(fā)生滲漏或達(dá)到使用年限后檢修困難［4］，考慮廊涿干渠檢修時(shí)開挖導(dǎo)致輸水管道懸空， 在交叉處輸水管道兩側(cè)5m范圍以外設(shè)置支撐， 支撐采用樁柱結(jié)構(gòu)，支座長(zhǎng)1.2m、寬0.6m、高0.6m，鋼筋混凝土樁直徑0.6m，樁長(zhǎng)3m，樁底高程51.09m；管道與支座處采用鞍型支撐。

4.1 樁長(zhǎng)計(jì)算

樁基設(shè)計(jì)計(jì)算按照J(rèn)TG 3363—2019 《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定進(jìn)行，主要計(jì)算工具為軟件“橋梁通CAD8.0”。樁基內(nèi)力采用《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的“m”法計(jì)算。 摩擦樁單樁軸向受壓承載力特征值Ra，可按下列公式計(jì)算：

式中 Ra為單樁軸向受壓承載力特征值（kN），樁身自重與置換土重（當(dāng)自重計(jì)入浮力時(shí)，置換土重也計(jì)入浮力） 的差值計(jì)入作用效應(yīng)；u為樁身周長(zhǎng)（m）；Ap為樁端截面面積（m2），對(duì)于擴(kuò)底樁，取擴(kuò)底截面面積；n為土的層數(shù)；li為承臺(tái)底面或局部沖刷線以下各層土的厚度（m），擴(kuò)孔部分及變截面以上2d長(zhǎng)度范圍內(nèi)不計(jì)；qik為與li對(duì)應(yīng)的各土層與樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），宜采用單樁摩阻力試驗(yàn)確定，當(dāng)無(wú)試驗(yàn)條件時(shí)按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》選用，擴(kuò)孔部分及變截面以上2d長(zhǎng)度范圍內(nèi)不計(jì)摩阻力；qr為修正后的樁端土承載力特征值（kPa）；fa0為樁端土的承載力特征值（kPa）；h為樁端的埋置深度（m），對(duì)有沖刷的樁基， 埋深由局部沖刷線起算； 對(duì)無(wú)沖刷的樁基，埋深由天然地面線或?qū)嶋H開挖后的地面線起算；h的計(jì)算值不應(yīng)大于40m，大于40m時(shí)，取40m；k2為承載力特征值的深度修正系數(shù)；γ2為樁端以上各土層的加權(quán)平均重度（kN/m3），若持力層在水位以下且不透水時(shí)，均應(yīng)取飽和重度；當(dāng)持力層透水時(shí)，水中部分土層應(yīng)取浮重度；λ為修正系數(shù)；m0為清底系數(shù)。

表1 樁長(zhǎng)計(jì)算成果

4.2 撓度計(jì)算

當(dāng)廊涿干渠檢修時(shí)開挖會(huì)導(dǎo)致輸水管線懸空，按CECS 214∶2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》對(duì)撓度進(jìn)行驗(yàn)算，公式如下：

式中 gk為分布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值 （N/mm）；qk為分布活荷載（N/mm）；L為計(jì)算跨度（m），根據(jù)布置取18.3m；E為彈性模量（N/mm2），取2.06×105N/mm2；I為慣性矩；D為鋼管外徑（m）；d為鋼管內(nèi)徑（m）；W為計(jì)算撓度；W允為允許撓度，取L/250。 經(jīng)計(jì)算，撓度值W=L/428＜W允=L/250，滿足規(guī)范要求。

圖1 輸水管道跨越廊涿干渠斷面圖

5 影響分析

5.1 跨越工程影響分析

跨越工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)主要包括工程線路選擇的合理性、 管道跨越方案評(píng)價(jià)及建筑物工程影響評(píng)價(jià)等內(nèi)容［5］。

本工程采用人工開挖跨越廊涿干渠，跨越長(zhǎng)度50m，與干渠交叉角度89°，滿足《其他工程跨越下穿鄰接河北省南水北調(diào)配套工程設(shè)計(jì)及安全評(píng)價(jià)技術(shù)要求（試行）》4.2.2條“其交角不宜小于70度”的要求。

輸水管道與廊涿干渠垂直凈距0.75m，滿足《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》 中給水管線與給水管線最小垂直凈距0.15m的要求；輸水管道與通信光纜垂直凈距0.25m，滿足《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》中給水管線與通信管線最小垂直凈距0.15m的要求；輸水管道管頂覆土1.22m， 此地區(qū)最大凍土深度為0.7m，滿足《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》中非機(jī)動(dòng)車道最小覆土深度0.6m的要求。

輸水管道從廊涿干渠上方交叉跨越， 考慮干渠檢修時(shí)開挖導(dǎo)致輸水管道懸空， 在跨越處輸水管道兩側(cè)5m范圍以外設(shè)置支墩， 故工程實(shí)施對(duì)配套干渠維修施工影響較小。

輸水管道跨越進(jìn)、出口距廊涿干渠25m，工程運(yùn)行基本不影響配套工程安全，且輸水管道沿線上、下游設(shè)有檢修閥，如發(fā)生事故可就近關(guān)閉檢修閥，快速有效控制對(duì)配套工程造成的不利影響。

5.2 水質(zhì)影響分析

輸水管道輸送介質(zhì)為地表水廠處理后的引江水，配套工程輸送介質(zhì)為引江水原水，跨越工程位于配套工程上方， 兩者相互獨(dú)立， 均采用封閉管道輸送， 跨越工程布置不影響配套工程的運(yùn)行安全和供水安全。

6 結(jié)語(yǔ)

輸水管道跨越南水北調(diào)配套工程應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況和現(xiàn)狀條件選擇合適的跨越方式，本工程跨越廊涿干渠采用人工開挖跨越干渠方式，跨越長(zhǎng)度50m，跨越段采用涂塑鋼管，跨越處輸水管道兩側(cè)5m范圍以外設(shè)置支墩，施工組織堆土區(qū)、繞行路合理安排不占?jí)含F(xiàn)有廊涿干渠管線，并在現(xiàn)有干渠臨時(shí)占地邊線設(shè)置硬質(zhì)圍擋防護(hù)，保證了對(duì)廊涿干渠的日常運(yùn)營(yíng)無(wú)安全影響，可為類似跨越工程提供參考。