魏楼水库PCCP管道静水压试验及参数验算

郝红新

(江西赣禹工程建设有限公司，南昌 330200)

1 问题的提出

魏楼水库主要担负着规划年向菏泽市区主城区等区域164.66×104人提供生活饮用水、灌溉、防洪蓄水等任务。水库永久性占地面积206.88hm2，总库容1560×104m3。水库主要包括围坝、泵站、涵洞、输水管道等水工建筑物。防洪设计标准为50a一遇，抗震设计烈度为Ⅷ度。水库设计总库容1560×104m3，死库容215×104m3、调节库容1345×104m3，入库泵站流量为9.0m3/s，规划年入库水量6663×104m3，供水规模16.02×104m3/d，供水量5848×104m3/a等。魏楼水库输水管道主要采用直径2000mm的预应力钢筒混凝土(PCCP)管，在管道工程施工结束后，采用管道水压试验对该水库PCCP压力输水管道及所包含的各类管件、阀门件、镇墩等水工建筑物设计方案的合理性、施工安装质量的综合检查以及管道各建筑物在正常供水状态下结构强度及水密性验证。

2 试验准备

2.1 试验段划分

在进行水压试验前必须对水库输水管道接口进行3次打压试验，并完成打压试验验收、管道接口所使用到的填充材料以及阀件运行情况合理性的安装验收，应当使全部阀门均处于全部开启状态。根据《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008的相关规定，输水管道试验段长度必须符合设计及规范要求，且压力管道水压试验管段长度应控制在1.0km以内[1]。考虑到魏楼水库输水工程PCCP管道管径大、距离长，结合标段实际，应对全线管道接头进行逐个水压试验，并将分段长度控制在1.0km以内，按照这种分段方法进行输水管道全线的段分后分别进行水压试验。

2.2 试压水源

充水及注水加压主要利用的是沿线灌溉水井水。根据水源情况将进水口设置在就近的空气阀井处，注水打压所产生的气体从空气阀井的微量排气阀门排出，为便于抽水，试验前还应准备数台7.5kW的水泵。

2.3 试验设备

魏楼水库输水管道静水压试验主要使用符合水压试验规范要求的ISG80-160、DN100mm单级离心低扬程特定型号注水设备、连接设备以及水压观测测控仪器仪表。所使用水泵电机的设计功率、设计扬程和设计流量分别为7.5kW、为14.2m、50m3/h，主要从灌溉水井中抽取试验用水注水。同时，压力泵主要采用的是3DK-S型柱塞式类型，该型号的压力泵设计排水压力为70MPa，额定排量可达到54L/min，通过导线将其与流量数值显示表连接，以进行管道加压过程中试压水增量及管道抽水量等的计量。注水管则由DN100mm*10mm钢管焊接而成，所使用的FME系列流量计流量计量准确度在0.1%以上。进行该水库PCCP管道静水压力试验所使用的压力表精度应达到1.5级，量程应达到设计试验压力值的1.5倍，表壳公称直径应至少为15cm。

魏楼水库输水管道静水压试验连接设备主要包括DN2000承插式试压钢管、支撑短管及盲板等，静水压试验连接示意图，见图1。

图1 静水压试验连接示意图

3 试压钢管

魏楼水库输水管道静水压试验试压钢管采用DN2000承插式钢管，选择好试压钢管后还应进行力的计算以及摩擦抵抗轴向力最小钢管段长度的确定。

3.1 力的计算

试验钢管冲压后轴向力按下式确定：

F=P×S

(1)

式中：F为试验钢管冲压后轴向力，kN/m；P为钢管试验压力，kN/m2，根据设计取500kN/m2；S为试验钢管管道断面积，m2，按照S=πR2计算，其中试验钢管半径R为1.1m。则经过计算，试验钢管冲压后轴向力为1899.7kN/m。

埋地钢管覆盖土层顶压力和侧压力按以下公式确定：

F1=K1ρHD

(2)

F2=ρ(H+D/2)×D×tg2(45°-θ/2)

(3)

F3=W1+W2

(4)

式中：F1为覆盖土层顶压力，kN/m；K1为土体垂直压力系数，取0.8；ρ为土容重，kN/m3，取18.1kN/m3；H为埋地钢管管顶覆土厚度，m，根据设计取3.0m；D为管段直径，m，取2.2m；F2为覆盖土层侧压力，kN/m；θ为覆盖土内摩擦角，°，取20°；F3为管段重量，kN/m；W1为埋地钢管自重，kN/m，为1.3kN/m；W2为埋地钢管内装满水的重量，kN，按照W2为水的比重，取10kN/m3，则W2取37.99kN。

由式(2)-(4)可得，覆盖土层顶压力F1为95.568kN/m，覆盖土层侧压力F2为79.84kN/m，管段重量F3为39.29kN/m。

埋地钢管摩阻力按下式确定：

f=u(F1+2F2+F3)

(5)

式中：f为埋地钢管单位管段摩阻力，kN/m；u为软土摩擦系数，取0.2；其余参数含义同前。根据计算，埋地钢管单位管段摩阻力取58.91kN/m。

3.2 摩擦抵抗轴向力最小钢管段长度

fL≥K2F

(6)

式中：L为钢管段长度，m；K2为安全系数，取1.6；F为摩擦抵抗轴向力；其余参数含义同前。经计算，魏楼水库输水管道静水压试验摩擦抵抗轴向力最小钢管段长度L≥51.596m。

为此魏楼水库输水管道PCCP管段试压钢管长度应按照60m选取。试压钢管主要采用承插式DN2000钢管，一端与所设置的试压管道连接，而另一端采取与盲板的焊接连接方式，并通过1根DN1800钢管连接后背墙钢板与盲板，从而形成结构性能均可靠的支撑体系。按照试验设计方案将D100mm钢管焊接在进/出水口的试压管道最高端，并同时将DN40mm排气钢管牢固焊接在试压管道的最低端，并将球阀、压力表和流量计安装在进/出水口钢管和排气钢管上。

4 后背墙选择

将该输水管道后背墙设置在原状土上，结合标段设计，管线之间高差应控制在2.0m/km内，出于管段运行安全的考虑，取高差为2.0m/km。后背墙按照直立式混凝土墙设计，混凝土强度等级为C25，墙体设计高度6.0m，埋地深1.5m，墙背后填土高度3.0m，混凝土墙厚2.0m，宽6.0m。后背墙基础设置在原状土上，并进行地面和地下部分的同时浇筑。后背墙横纵截面尺寸示意图，见图2。

4.1 后背墙墙体稳定性验算

为进行后背墙墙体稳定性验算，必须进行圆管和墙体接触后墙体抗剪强度验算。圆管设计直径为1.8m，所以圆形钢管和后背墙墙体接触后墙体受剪面积S1为2.543m2，剪应力R=F/S1=1899.7/2.543=747.031kPa=0.747MPa，该结果取值比C25混凝土墙体设计抗剪强度小，所以，后背墙墙体结构安全。

后背墙墙体和地面线接触处墙体抗剪强度计算时应先确定出接触面面积S2，为12m2，则墙体与地面接触面抗剪强度为R=F/S2=1899.7/12=158.308kPa=0.158MPa，取值比后背墙墙体设计抗剪强度小，所以墙体结构安全。

图2 后背墙横纵截面尺寸示意图

4.2 后背墙墙体抗倾覆性

后背墙墙体在输水管道PCCP管段试压过程中能否稳定不滑动，主要取决于墙体后回填土密实程度，魏楼水库输水管道计划在完成后背墙浇筑施工后回填砂砾，设计压实度96%。在试压压力的影响下，后背墙后填土主要受到被动土压力的影响和作用，结合郎肯被动土压力公式进行抗倾覆性评价：

(7)

式中：EP为被动土压力，kN/m；γ为后背墙后填土重度，kN/m3，取20kN/m3；h为后背墙设计高度，m，取6.0m；φ为墙后填土的内摩擦角。°，取30°。经过计算，该水库工程输水管道后背墙被动土压力为1080kN/m。则后背墙被动土压力与墙体结构自重相对于墙趾处的力矩N1为(1080×6.0)×1+72×2.3×1=6646kN·m，输水管道试压过程中所产生的压力对墙趾的力矩N2为1899.7×2.6=5927kN·m，由于N1>N2，所以输水管道试验时后背墙墙体不会发生倾覆。

5 PCCP管道试压充水

5.1 管道充水

结合GB50268-2008相关规定，对于无设计要求的单口水压试验合格的大口径预应力钢筒混凝土输水管道，可省去预试压环节，直接进行主试验[2]。试压开始后先通过DN100mm供水管和空气阀进入孔最高点向管段内按照0.2-0.3m/s的速度匀速充水，以避免管段出现水锤而破坏管道。在充水过程中，管段内空气从空气阀进入孔和试压管上的排气孔排出，且当所排出的水流呈均匀连续状，并不掺杂气泡时意味着管段内空气已排除干净。在管段内注满水后无压浸泡至少72h，并检修全部试压设备、管路及封堵。

在管段内充满水，通过管段上的DN100mm进出水管专用泵向管段内注水，并按照0.1MPa逐级升压，若试验管段无任何渗漏迹象则应保持继续升压的试验状态，达到设计试验压力后，停止注水并补压，之后稳压15min，在此过程中=若无压力骤降及剧烈波动现象，则管段强度及密封情况合格；如果压力降幅在0.03MPa以内，则应将压力降至工作压力，并进行渗水量测试，当渗水量≤0.14m3/h则视为合格，否则，不合格。

根据试验结果，魏楼水库输水管道PCCP管段充水过程中无任何渗漏迹象，稳压过程中也无压力下降现象，表明管道强度及密封合格。

5.2 管道排水

打压成功后考虑到水资源节约和循环利用的目的，应在排水管道水质符合供水管道打压用水质用量标准的基础上用潜水泵从管段内抽水至下一试验段，及时进行下一打压段。试压合格后采用水泵将试压余水直接抽出并排出至农田水系。

6 结 论以

结合给排水管道工程施工技术规范，魏楼水库输水工程压力管道较长，必须加强其静水压试验方法、试验管道布置及后背墙处理等方面的分析，此外，对于试验段较多的情况下，为节省工程造价，后背墙混凝土可采用预制混凝土块。