球墨铸铁压力管道的推力约束设计

　

(唐山市水利规划设计研究院，河北 唐山　063000)

1　工程概况

丰南区城区至丰南经济开发区临港经济园中水引水工程主要为临港经济园各企业提供生产用水，保证企业的用水安全，建设规模为12万m3/d，管道单排铺设，长度为41.1km，采用DN1200球墨铸铁管，工作压力为0.8MPa。

该工程主管材采用T型接口球墨铸铁管，长距离输水管道的平面及竖向转角均较多，管道内有压水流对弯头处产生的较大推力造成管道接口处松动、脱落等严重后果。因此，在弯头处需要采用一定的工程措施以保证管道的安全运行。

2　推力约束设计

对于深埋地下的管道，推力约束的实现方式是把推力分散传递到管道外的土体中，既要保证推力分散到土壤体系中，又要保证约束措施安全无损坏，管道的T型接口不发生分离。在设计中常用的约束形式如下：

a.在弯头处设置支墩。

b.在弯头前、后一定距离将管道更换为钢管。

c.在弯头前、后一定距离将管道接口形式更换为自锚接口。

2.1　支墩约束设计

支墩是重要的管道附属构筑物，支墩处所受约束力其一为支墩底面与土壤的摩擦力，其二为弯头两边的管道与土体之间的被动土压力。根据以往设计经验，先选取支墩的结构型式及尺寸，再根据管道设计压力、地下水情况、土壤等效内摩擦角等参数对支墩进行推力稳定验算，满足条件即可。具体结构尺寸见图1～图3。支墩材料选用C15混凝土。

图1　水平支墩结构尺寸 (单位：mm)

图2　垂直向上弯头支墩结构尺寸 (单位：mm)

图3　垂直向下弯头支墩结构尺寸 (单位：mm)

在地基承载力满足条件的情况下，支墩的设置可以很好地将水流变化产生的推力传递至土壤中，使运行安全可靠。但设置支墩需要较大的工作面，土方工程量增大，支墩混凝土浇筑、养护均需要时间，不适用工期紧张的工程。

2.2　更换钢管

将弯头处球墨铸铁管局部更换为钢管，钢管采用焊接的连接方式，这样就使弯头局部钢管形成一个连续体，避免了接口损坏的发生。根据管道转弯角度，弯头一侧需改换钢管的最小长度可按《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》计算，结果见表1。

表1　弯头处钢管最短铺设长度

弯头局部更换钢管不增加占地面积，弯头管件的角度易加工，施工便利，适应性强，对工期有利。钢管抗腐蚀性能较差，需做内外防腐。此次设计中采用DN1200 TPEP钢管。

2.3　自锚接口

自锚接口是能够提供轴向约束的特殊滑入式接口，通过自锚接口使管道连接成一个相对独立的系统，利用系统与土壤之间的阻力来抵消管道内液体产生的推力，以保证管道运行过程中接口不发生分离。

球墨铸铁管自锚接口适用于弯头处没有条件设置支墩或者工期紧张的工程。在此次引水工程中采用内自锚接口，该接口形式在管道承口端设置密封腔和挡块仓两个环形腔，密封腔安装密封胶圈，挡块仓安装自锚挡块，在插口端设置焊环，利用自锚挡块与焊环进行推力传递。接口安装简便，同时又提高了管道的抗拔脱性能。管道可以通过接口处的偏移角实现角度借转，对地基变形的适应性好。

取自锚系统作为研究对象，对其受力进行分析。该系统受到的主动力为管道过水截面上受到的设计压力的合力，在管道安装刚结束时，管道与土壤配合的稳定性是最差的，此时进行打压试验的压力即为设计压力。水平及竖直向上弯头的约束力由两部分组成，其一为管道外壁与土壤的摩擦力，其二为管道与土体之间的被动土压力；竖直向下弯头的约束力为管道外壁与土壤的摩擦力。

根据管道转弯角度，弯头两端自锚管最短铺设长度计算参数及结果见表2。

表2　水平及竖直弯头处自锚管最短铺设长度

2.4　三种约束方式造价对比

以上三种推力约束形式在管道输水工程中均有过应用，实践表明都是安全可行的。在进行方案选择之前，对三种约束方式的工程造价进行对比,具体见表3。

表3　三种约束方式的工程造价对比

2.5　方案选择

通过工程造价比较可知，弯头角度越大，工程造价越高，尤其是大于45°的弯头单个工程造价均高于30万元。

此次工程中平面弯头角度多数在45°以上，对工程方案的经济性有重要影响，因此选择造价最低的混凝土支墩。而竖向弯头的角度均小于45°，为保证工期，此次工程中竖向弯头不采用混凝土支墩。对TPEP钢管与自锚接口球墨铸铁管进行比较，考虑到管材的一致性对管材采购及后期输水运行管理较为有利，因此竖向弯头采用自锚接口的球墨铸铁管。

通过分析比选，最终方案为平面弯头采用混凝土支墩，竖向弯头采用自锚接口的球墨铸铁管，该方案有效结合了两种约束的优点，既加快了施工进度，又降低了工程造价。

3　结　语

引水管道弯头处的推力约束设计是引水工程设计中至关重要的问题。本文通过对三种推力约束形式的技术、经济比较，最终采用了自锚接口球墨铸铁管与混凝土支墩相结合的设计方案，有效解决了工程工期要求紧与方案经济性之间的矛盾。目前工程已经在紧张的施工中，建成后必将为用水企业提供供水保障，有力促进园区经济的快速增长。

[1]温晓英,程子悦,冯树健.大口径输水管道的止推设计[J].中国给水排水,2012(4):1-5.

[2]黄谦,郭清平.给水管道水平支墩受力分析探讨[J].特种结构,2010(4):125-127.