山西省万家寨引黄工程北干线检修阀井稳定分析

叶雄俊

（山西省水利水电勘测设计研究院 山西太原 030024）

1 工程概况

山西省万家寨引黄工程北干线（近期实施方案）自总干线下土寨分水闸起，穿过吕梁山，经大梁水库至墙框堡水库，全长161.115km，其中主要建筑物有：下土寨分水闸、隧洞、2座长117.36km的倒虹、4座调节水库及扬水泵站等组成。根据管道运行充水、事故检修排水和系统运行管理的需要，倒虹沿线共设置了13座检修阀井。检修阀井将线路分为多个小段，便于在短时间内修复，并尽可能减少弃水以减少损失。

检修阀的作用除便于分段检修外，还在于控制管线在运行前小流量充水。充水流量按管道内平均流速不大于0.3m/s确定，主要设备是电动蝶阀，其次是旁通管和旁通管上的阀门和孔板消能装置。此外还有进气阀、压力表等。

检修阀井的电动蝶阀具有现地和远方控制功能。检修阀井附近的流量计信号先传送至检修阀井，并经过计算机设备采集处理，通过全线自动化系统一并上送至调度控制中心。

2 检修阀井设计

检修阀井设计为矩形，其尺寸为9.7m×8.6m（长×宽），井内分为闸阀层和操作层。闸阀层位于地面以下，其深度根据管道开挖深度确定，内设检修阀门及其他附属设备。操作层位于地面以上，净高4.2m，在垂直管线方向设一道240 mm厚砖墙将操作层分隔成安装检修间与工作间，以隔离检修阀工作产生的水汽，保证阀井安全正常运行。安装检修间内操作层板开孔便于安装检修时起吊设备，工作间内设检修阀井运行所需的电气设备。

整个阀井地下部分全部采用C30现浇钢筋混凝土结构，地面以下墙体厚0.8m，底板厚0.8m。底板根据计算，阀井底板沿管线方向延长2m，水头较大的阀井底板延伸4m，底板上设一道1.2m×0.67m的混凝土横梁，横梁上安装有检修阀、旁通阀等设备。穿墙管道为不锈钢管，其长度超出两边墙体各0.5m之后接PCCP管，穿墙管在墙体内设有加筋环固定，使管道与检修阀井形成整体，操作层板C30现浇钢筋混凝土结构厚0.2m。地面以上砖墙厚0.37m，屋面板为C30现浇钢筋混凝土结构，厚0.12m，长×宽为10.09m×9.4m。

检修阀井基础处理采用500 mm厚3：7灰土垫层或是500 mm厚碎石垫层，根据不同地质条件确定。

检修阀井结构布置图见图1、结构受力图见图2。

图1 检修阀井结构布置图

图2 结构受力图

3 检修阀井稳定计算

当管道正常运行时，检修阀井阀门全开，阀井前后左右均为对称，受力均匀，此时只需要考虑阀井地基承载力是否满足要求。

当PCCP管线某段需要进行检修时，线路停止输水，此段管线两端检修阀井关闭阀门，再将此段需要检修的管线内的水全部放空，此时检修阀井阀门一端没水，另一端承受较大的静水压力，从而产生巨大的水平推力，这时需要考虑检修阀井的稳定。阀井稳定常用以下两种方式：第一种是由阀井自重止推，即检修阀井自重与土层之间产生的摩擦力来承受水平推力；第二种PCCP管采用限制性接头，由PCCP管道与土层之间产生的摩擦力来承受水平推力，由于接头被限制，推力沿管线传递，计算得出限制性接头PCCP管道长度，从而不影响阀井的稳定。

3.1 阀井自重止推方式

当采用阀井自重方式止推时，需要考虑阀井抗滑稳定和地基承载力。

本次分析只考虑了最不利工况：检修工况，计算以40 m静水头为例。

计算主要荷载有：阀井自重、雪荷载、风荷载、水压力、检修阀自重、水重及延伸底板上部土重。

经过计算得出阀井自重W阀=7333.1kN（包括阀井内钢管自重）；阀井底板延伸部分上部土体自重W土=3255.7kN；阀井一侧水重W水=315.5kN；40 m水头产生的水压力P水压=1520.5kN；雪荷载23.7kN；风荷载26.0 kN，检修阀自重W检=60 kN。

1）抗滑稳定计算公式：

式中:kc—抗滑安全系数；

∑W—作用在阀井上的所有竖向荷载的总和，kN；

∑P—所有水平力的总和，kN；

f —底板与地基土壤之间的摩擦系数，考虑是灰土垫层（f）取 0.35。

竖向荷载包括阀井自重、雪荷载、检修阀自重、水重及底板延伸部分土重，计算结果为10988kN。

水平荷载包括水压力及风荷载，计算结果为1546.5kN。

因为 kc=2.49＞［kc］=1.2满足要求。

2）阀井基底应力计算公式：

式中：σmin、σmax—阀井基底应力的最大值和最小值；

∑W—作用在阀井上的所有竖向荷载的总和，kN；

∑M—作用在阀井上全部竖向和水平荷载产生的力矩，kN·m；

A—阀井底板面积，m2；

B—阀井底板沿水流方向的长度，m。

竖向荷载总和同抗滑稳定计算中∑W为10988kN。

对基础中心点取矩，一侧管中水重、检修阀自重、风荷载和水压力产生弯矩，

M水=315.5×（-2.7）=-851.85kN·m

M检=60×1.455=87.3kN·m

M风=26×9.05=235.3kN·m

M水压=1520.5×2.9=4409.45kN·m

计算结果为3880.2kN·m。

得出结论：检修阀井抗滑稳定及基底应力均满足要求。

由于检修阀井四周土压力为对称分布，计算时未考虑水平土压力，但值得注意的是阀井垂直水流方向一侧边墙与土体产生的摩擦力对阀井抗滑稳定起到有利作用，计算中未考虑使得计算结果偏于安全。

3.2 限制性接头止推方式

在不设镇墩的情况下，当输送流体的某一段管道的末端，由于改变方向，阀门关闭或断面缩小时所产生的轴向力将作用于管道壁，并向其上游传递，对于埋设在地下的管道来说，由于管道自重、流体重、覆土重等（对于处于地下水位以下的部分应扣除浮力）同管床之间存在摩擦阻力，当一定长度管段的这种摩擦阻力能够同轴向力平衡时，该管段称为限制性管段，摩擦阻力大致呈均匀分布；而管道所承受的轴向力则从其末端为最大逐渐变化到限制性管道终止时为零，呈三角形分布。

采用限制性接头止推方式是在阀的每一侧将数个PCCP管的接头限制在一起形成整体，从而增大了限制管道的摩擦力以抵抗推力。根据推力，通过计算来确定限制性管道长度L。

计算公式：

式中：L—阀门每端限制管段长度，m；

P—内水压力，kN；

A—管道截面面积，m2；

f—管道与土间摩擦系数，f=0.35；

We—每延米管道上覆土荷载，kN；

Wp—每延米管重，kN；

Ww—每延米管中水重，kN；

ω—回填土容重；

Bc—管外径，m；

H—上覆土层厚，m。

每节PCCP管长按6m计，由限制管段长度L可估算限制接头个数。

由于限制性接头承担了水平推力，检修阀井的稳定计算不需要考虑抗滑稳定计算，只做基底应力计算。

式中：σmax、σmin—阀井基底应力的最大值和最小值，kN/m2；

∑W—作用在阀井上的所有竖向荷载的总和，kN；

A—阀井底板的面积，m2；

B—阀井底板沿水流方向的长度，m；

∑M—作用在基础上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kN·m。

计算时同样只考虑最不利工况：检修工况。

主要荷载有：阀井自重、雪荷载、风荷载、检修阀自重、水重及底板延伸部分土重，计算结果同上。

竖向荷载包括阀井自重、雪荷载、检修阀自重、水重及底板延伸部分土重，计算结果为10988kN。

对基础中心点取矩，一侧管中水重、检修阀自重和风荷载产生弯矩，

经计算得σmax=96.98kPa σmin=89.54kPa

得出结论：阀井基底应力满足要求。

两种止推方式基底应力计算结果见表1：

表1 检修阀井基底应力计算结果表

根据地质资料，地基允许承载力为[σ]=80～110 kPa，σmax/σmin均小于2，以上计算结果均在允许范围之内，基底应力满足工程要求。

4 结论分析

限制性接头止推方式其优点是不占用过大的地下空间，计算时只需考虑管道内钢（钢筒、钢筋）材料的抗拉作用，使其即使在实验压力下也不超过材料的许可应力；受地形、管线、地上建筑物限制；并且节省投资。其缺点是要求地质条件较好且回填土施工质量高的地段，当管道地基有不均匀沉降时，会使应力集中在管道接头处，由于限制性接头已经限制了管道的管道接头处的位移，从而造成接头处混凝土开裂，甚至接头破坏，如果水平推力达到一定时，对PCCP管道内钢筒厚度及生产都有特殊要求；且限制性接头施工进度慢，厚钢板钢筒加工时间较长，会使限制性接头管的制作不能满足施工进度的要求。

阀井自重止推方式优点是工程施工相对简单，施工质量能够得到很好的控制，并且减少了地基不均匀沉降时发生的管段失事的风险；不会影响工程施工进度。缺点是增加了检修阀井的投资；在设计过程中需要对摩擦系数的选取、垫层和填土的设计及地下水位情况等多方面进行研究；要求有一定的施工场地。

检修阀井止推设计除上述限制性接头止推方式和阀井自重止推方式外，还可以采用联合止推方式。联合止推方式顾名思义就是限制性接头止推和自重止推两种方式共同作用来抵抗水平推力，但由于阀井和管道的自重相差太大，两者与土体的变形模量相差太远，不能有效地保证工程运行的安全，国内外可以借鉴的工程经验尚少，故本次未考虑联合止推方式。

本次工程设计从以往工程经验及工程安全的角度考虑，检修阀井采用自重止推方式。