大口径钢管外包混凝土在输水管线中的应用与优化设计

郭 放

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006)

近年来，为解决水资源不平衡问题，各地区开工建设了许多引调水项目，而输水管道是此类项目中不可或缺的一种形式。钢管作为管材的一种，虽然单价较贵，但其在安全性上有着其他管材不可比拟的优势，所以在管道沿线一些重点部位，如穿越公路、铁路，隧洞连接段部位以及布设在村庄附近管线部位等均选用钢管管材，而不用价格相对低廉的其他管材。然而，钢管特别是大口径钢管承受外部荷载的能力有限，需要外包混凝土予以保护。文章以辽宁省重点输水工程为例，总结了高覆土下大口径钢管外包混凝土的设计与施工，并应用有限元方法进行了优化设计分析，为以后此类工程提供参考和经验。

1 工程概况

辽宁省重点输水工程全长598.432km，主体工程由输水管线与输水隧洞两部分组成，其中输水管线部分长290.108km，输水隧洞部分长308.324km。该工程的输水管线部分在上述重点部位均采用了钢管，由于沿程流量差异，工程中采用了不同管径及根数的组合：1×φ5.8m，1×φ5.4m，2×φ3.8m，3×φ3.6m，3×φ3.4m，4×φ3.2m等，在高覆土工况下，上述组合均设置了外包混凝土结构以保护钢管。

2 设计方案

考虑经济性要求，避免为了解决极少数高外荷载工况下的问题而专门生产一批特殊型号(壁厚)的钢管，本工程钢管均可承受不超过4m厚度覆土的外荷载，当钢管埋深超出此深度时则需要外包混凝土以承担外部荷载。本工程输水线路长且地形、地质条件复杂，少数钢管埋设深度最大可达18m。

2.1 设计形式

2.1.1 主体结构

本工程输水管线的铺设形式分为同槽和分槽两种，故在同一个沟槽内存在一根管到四根管的四种横断面形式，如图1～图4所示。

图1 单根钢管外包混凝土

图2 两根钢管外包混凝土

图3 三根钢管外包混凝土

图4 四根钢管外包混凝土

由于钢管在水锤作用下会产生振动，故在钢管与外包混凝土之间设置了5mm厚度的沥青卷材，以避免混凝土受振动荷载产生破坏。根据钢管埋深所对应的覆土外荷载计算出外包混凝土的主要控制尺寸，详见表1。

2.1.2 过渡段

为避免钢管外包混凝土结构与其他钢管或管道部位产生不均匀沉降差异，本工程在整体结构纵断方向上的两侧分别设置了两节长度10m(每节5m)的过渡段，具体做法如图5所示。为施工方便，过渡段的宽度均与相连外包混凝土结构宽度保持一致。

图5 钢管外包混凝土过渡段纵剖面图

管材铺设形式覆土深度/m尺寸a/mm尺寸b/mm尺寸c/mm主筋直径/mm主筋间距/mm1×ϕ5.8m6700600600201508900800800201501090080080022150121050850850221501×ϕ5.4m670060060020150880070070020150109508008002015012100085085022150141100900900221502×ϕ3.8m10600500500201501260055055022150146506006002215016750650650221503×ϕ3.6m146506006002215018800750750221503×ϕ3.4m18750700700221504×ϕ3.2m1460055055020150

2.2 注意事项

(1)钢管外包混凝土在纵断方向上一般不宜超过12m，且在分缝处应避开钢管加劲环位置。

(2)环向受力钢筋在钢管加劲环处可适当调整间距以避开加劲环，纵向钢筋如与钢管加劲环冲突可断开处理，禁止将钢筋焊接在加劲环上而产生安全隐患。

(3)过渡段的碎石垫层需级配良好，防止上部中粗砂中渗有碎石，导致钢管被碎石损伤。

(4)若外包混凝土结构纵断方向两侧为岩石地基，则可不设置过渡段。

3 优化设计

常规的钢管外包混凝土设计方案中，混凝土易于浇筑振捣，施工比较方便；然而，从经济角度考虑，上述结构有进一步优化的空间：可将结构上部两个直角进行磨脚处理，使最薄处的混凝土厚度与顶部最薄处保持一致，如图6所示(以单根钢管为例，其他形式原理相同)。

图6 钢管外包混凝土优化设计断面

通过下面的有限元分析及结构计算可验证此结构的可行性和经济性。

3.1 模型的建立

本次计算采用了平面应变分析方法，底边采用固定边界，管顶按8m覆土外荷载考虑。模型1剖分了400个单元，480个节点，如图7所示；模型2(优化断面)剖分了475个单元，571个节点，如图8所示。

图7 有限元模型1

图8 有限元模型2(优化断面)

3.2 计算结果与对比分析

根据模型的最大主应力σ1计算结果，模型1顶拱部位的最大拉应力σ1最大值达到了0.4MPa，为最危险截面，且拉应力范围占到了整个截面的一半，根据SL191- 2008《水工混凝土结构设计规范》中第十二章的按应力配筋原理，需要相对较多钢筋来抵抗截面的拉应力。在模型2中，最大拉应力σ1最大值出现在拱肩部位，且最大值为0.05MPa，较模型1明显减小，且受拉截面面积占整个截面的比例亦显著减小，整个模型大部分在压应力控制下，受力条件有显著改善，根据模型2的计算结果按照应力配筋，则只需要配分布钢筋即可满足结构及裂缝要求。数值计算结果如图9、图10所示。

图9 计算结果(模型1)

图10 计算结果(模型2，优化断面)

3.3 经济性与实用性分析

根据上述计算结果，采用优化后的设计断面可节省一部分混凝土和钢筋用量，以1×φ5.8m钢管，覆土深度8m为例，分布钢筋按φ16mm考虑，每延米可节省混凝土约2.3m3，钢筋约0.7t，经济性非常可观。在具体施工环节中，由于优化方案多出两块模板且存在斜面，在混凝土浇筑及振捣等方面略增加一定难度，但总体看来仍然是利远大于弊。

4 结语

实践证明，该钢管外包混凝土设计方案有效解决了高覆土下大口径钢管抵抗外部荷载的问题，保证了钢管在此工况下的安全运行，避免了钢管生产厂家为少数工况而生产特别型号的管材，总体上节省了工程建设成本。同时，优化设计方案在结构设计上和实际施工中均是可行的，且可进一步节约成本，可在今后的类似工程中予以实践和推广。

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