浅析长距离大口径输水管道在施工过程中的问题及解决方法——以贾庄至卧虎山输水工程为例

李青坤 钟 磊 邹建伟

(济南市水利建筑勘测设计研究院，山东济南 250013)

1 工程概况

济平干渠贾庄分水闸至卧虎山水库输水线路全长29.62km，其中贾庄提水泵站至罗而庄加压泵站输水线路长14.4km，罗而庄加压泵站至寨而头加压泵站输水线路长9.8km，寨而头加压泵站至放水洞输水线路长5.4km。所经线路地貌类型为黄泛冲积平原(0+000～4+000段)、山前倾斜平原(4+000～12+020段)、低山丘陵(12+020～29+618段)，管道沿程的敷设方式均为直接地埋式，输水流量3.47m3/s，管材选用钢套筒管和螺旋钢管，其中钢管管径为DN1600，壁厚14mm，部分管段壁厚为20mm。设计管道的最小管顶覆土深度为1.5m，局部不足1.5m的管段要求回填到1.5m，管道穿越河沟、公路等地段时应单独设计和处理，管顶覆土厚度不小于2.0m。工程的主要任务是调引长江水、黄河水进入卧虎山水库及直接向卧虎山水库用水户供水，解决济南市区水资源严重紧缺状况，优化供水体系，更有效地利用水库调节库容，提高供水保证率，适应和满足济南城市社会经济的发展、提高人民生活水平及改善投资环境的需要，实现水资源的可持续利用。同时，减少地下水开采，恢复泉群自然喷涌，改善生态环境，恢复“泉城”特色，也是创建济南市水生态城市的重要组成部分。

2 长距离大口径钢管受力分析理论基础

所有使管道产生内力及应力的因素都称为作用。温度和压力是直埋管道最主要的两种作用。对于直埋管道，还有轴向位移产生的轴向摩擦力和侧向位移产生的土壤侧向压缩反力。根据作用的特点，可分为两类:力作用和位移作用。由于力作用而产生的应力称为一次应力，取决于静力平衡条件。如果一次应力超过了极限状态，管道会发生无限的塑性流动，会导致爆裂或断裂。位移作用可能是由于给定的位移或变形，如:热胀变形或管道沉降;也可能是由于位移或变形引起的力，如:土壤的轴向摩擦力和压缩反力。由位移作用所产生的应力称为二次应力，取决于变形协调条件，所产生的变形总能使应力下降，使变形不再发展。本文在研究长直段钢管整体和局部失稳情况下的极限状态时，采用安定分析法，同时考虑一次应力和二次应力对管道的作用。在管道局部不连接处，力作用和位移作用都会产生应力集中，所产生的应力称为峰值应力。峰值应力不会引起显著的变形，但循环变化的峰值应力也会造成钢材内部结构的损伤，导致管道的局部疲劳破坏。

目前，国内外关于长距离大口径直埋输水管道的受力研究较少，本文主要借鉴理论相对成熟的直埋供热管道的研究经验，并结合工程实际情况，对长直管段钢管在安装、运行过程中的受力进行分析，验证其是否需要加设伸缩节以满足安全运行的要求。

2.1 局部屈曲

局部集中的塑性变形可能出现在承受高轴向压应力和截面内存在缺陷的管道系统中。为了防止直管的局部屈曲，应变、应力、温差极限状态应满足以下要求:

对于直管，应变Δε的极限状态应满足:

若 rm/δ≤28.7，Δε≤0.16%

若 rm/δ＞28.7，Δε≤0.0458δ/rm+3 ×10－5

式中 rm——管道平均半径，m;

δ——管道壁厚，m;

Δε——应变。

对于锚固段的直管，应力变化范围Δσ的极限状态应满足:

若 rm/δ≤28．7，Δσ≤334MPa

若 rm/δ＞28．7，Δσ≤9250δ/rm+11.7

式中 Δσ——管道工作温度和安装温度应力变化范围，MPa。

2.2 整体失稳

当管道处于较大的轴向压缩力状态时，由于立柱效应易出现弯曲(环向不稳定)的危险。因此，必须保证管道有足够的深度，以保证稳定性。

以下情况需验算垂直稳定性:覆土较浅，地下水位较高，在管道上方开挖。对于一段无限长的直管段，均匀分布着单位管长的垂直荷载形式(包括回填土和管道自重)，其受力分析如图1所示:

图1 垂直稳定受力分析

管道上部土壤要能够承受管道纵向上的反作用力，为避免弯曲，应满足下式:

式中 F——单管轴向压力，N/m;

γs——稳定分析时的分项安全系数，取1.1;

I——单管截面惯性矩，m4;

β——系数;

W——单位管长的垂直荷载，N/m。

W的计算式为:

W=Ww+Wp+2Ff

其中 Ww——单位长度管道上部土层的有效重量，N/m;

Wp——单位长度预制保温管道的有效自重，N/m;

Ff——单位长度静止土压力造成的剪切力，N/m;

g——重力加速度，m/s2;

ρ——土壤的密度，kg/m3;

h——管中心至地面距离，m;

D——预制保温管外壳外径，m;

K0——土壤静压力系数，取0.5;

φ——土壤内摩擦角，取 30°;

3 工程案例分析

本工程设计管沟断面为梯形断面，槽沟底宽根据管道外径加上管道外壁两侧各预留0.8m施工通道确定。管道统一采用碎石+粗砂垫层基础或粗砂垫层基础，上游段(0+050～12+000)基础垫层为碎石+粗砂，最小厚度设计为25cm+20cm;下游段(12+000～29+618)为粗砂基础垫层，最小厚度设计为20cm。根据地质报告提供的有关数据，考虑沟槽的开挖深度一般都在5m以内，上游段(0+050～12+000)沟槽的开挖边坡初步确定为1∶1.0(穿北大沙河倒虹吸段为1∶1.5)，下游段(12+000～29+618)沟槽的开挖边坡初步确定为1∶1.5，典型横断面图如图2所示:

图2 典型横断面 (单位:mm)

管道安装过程中的气温变化，会引起管道的伸缩。实验证明，温度变化而引起管道长度成比例变化。管道温度升高，由于膨胀，长度增加;温度下降，则由于收缩，长度缩短。温度变化1℃相应的长度成比例变化量称为管材的线膨胀系数。不同材质的材料线膨胀系数也不同。碳素钢的线膨胀系数为12×10－6/℃。

管材受热后的线膨胀量，按下式进行计算:

ΔL= αΔtL

式中 ΔL——管道热膨胀伸长量，m;

α——管材的线膨胀系数(1/K)或(1/℃);

Δt——温度差，℃;

L——计算管段的长度，m。

这时在管道内部将产生很大的热应力，热应力的计算式为

σ=Eε

式中 σ——管材受热时所产生的热应力，MN/m2;

E——管材的弹性模量，MN/m2，碳素钢的弹性模量 E=20．104×104MN/m2;

ε——管段的相对变形量，ε=ΔL/L。ΔL为管段的热膨胀量，m;L为在室温下安装的管段原长度，m。

3.1 局部屈曲核算

钢管在安装过程中，当直管段两端弯头处的镇墩没有浇筑时，可以看作是没有经过锚固的直管，由于rm/δ=114.3＞28.7，如果不发生直管段的局部屈曲，应变Δε的极限状态应满足Δε≤0.0458δ/rm+3×10－5=4.31×10－4。在安装过程中，根据现场情况，本文将昼夜温差定为30℃，管道的最大应变Δε=ΔL/L=3.6×10－4＜4.31×10－4，此时满足稳定要求，管道不会发生局部屈曲。当弯直管段两端弯头处的镇墩浇筑后，此时该段如果不发生局部屈曲，Δσ≤9250δ/rm+11.7=92.64MPa，由温差引起的管材线膨胀量ΔL在管道内部将产生热应力Δσ=EΔε=72.37＜92.64MPa，此时满足稳定要求，管道不会发生局部屈曲。在温度变化过程中，在管道结构不连续处产生峰值应力:如弯头、三通处，会引起管道的疲劳破坏，即低循环疲劳破坏，必须将应力释放以避免该状况的发生。考虑到循环塑性变形对管道结构不连续处的危害，工程采用了在阀门井接头处安装伸缩器，伸缩量为Δl=130mm，但是在安装过程中，位于桩号25+117～25+808段的长直钢管段的限位伸缩器被拉坏，工程决定对长直管段钢管添加橡胶伸缩器。根据《城镇供热直埋热水管道技术规程》(CJJ/T 81—2013)，在弹性状态下，130mm，则可以逆推出管段中橡胶伸缩器最小安装长中，工程将长度大于500m的直钢管添加了橡胶伸缩器，目前管线施工已完毕，安装情况良好。

3.2 整体失稳核算

当钢管处于较大的轴向压缩力状态时，由于立柱效应易出现弯曲(环向不稳定)的危险，此时，管道上部土壤要能够承受管道纵向上的反作用力，为避免弯曲，应满足下式:F≤γs，其中I=πD4［1 － (Dn/D)4］=0.0114m4，W= ρgδπD=5.414kN/m，13.47MN/m。在弹性工作范围内，本文将钢管的泊松比ν定为0.3，根据《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJJT 81—98)可以得出单位长度内轴向压力Na=(αEΔt－νσt)A=45.45MN/m(由于《规程》中没有考虑土壤摩擦力的作用，计算结果相对更保守)，表明在安装阶段，管道上方因为没有覆土，仅靠自身的重力无法承受管道纵向上的反作用力，可能会产生环向不稳定的危险。考虑到这一危险因素，在管道进行打压实验前，应对部分长直管道进行预埋，当管顶预埋深度h满足γs≥F时，管道才不会发生整体失稳的危险。经计算得出:当 h=0.575m，=Na=45.45MN/m，即当预埋管顶深度h＞0.575m时，管道不会发生整体失稳。根据计算结果，工程在打压试验前将部分长直段钢管的预埋管顶深度定为0.6m，实践表明管道在打压试验时，管道运行状况良好。

4 结语

在长期的输水管道施工过程中发生的破坏事故较少，国内外对此方面的研究相对匮乏，但是由于社会的发展与实际的需要，越来越多的大型输水工程建设被提上日程，本文中的贾庄至卧虎山输水工程正是在这种形势下开始施工的，其管线施工中暴露出一些问题，存在一定的安全隐患，本文借鉴理论相对成熟的北欧算法，并结合《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJJT 81—98)，针对这些问题进行分析，提出了相应的解决措施，在实践中取得了良好的效果，具有一定的理论意义，相信本文能为类似的长距离大管径输水工程提供有益的参考。■

［1］ CJJ/T 81—2013城镇供热直埋热水管道技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2013.

［2］ European Committee for Standardization.EN13941:2009 Design and installation of preinsulated bonded pipe-systems for district heating［S］．

［3］ 顾顺符，潘秉勤.管道安装工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1987.