南水北调中线配套工程预埋管线承受地面附加荷载研究

□陈光宇

河北省南水北调中线配套工程位于冀中平原，上接南水北调中线总干渠，下接城市水厂或直供企业，担负承上启下的输水任务，是用好长江水、缓解区域水资源短缺的关键性民生工程。配套工程惠及邯郸、邢台、石家庄、保定、廊坊、沧州、衡水7个设区市和雄安新区、定州市与辛集市2个省直管市共92个县（市、区）、138个供水目标，输水工程总长度2056㎞，年平均分配河北省水量30.4亿m3，为治理华北地下水超采“大漏斗”，建设经济强省、美丽河北提供了有力的水资源保障。研究南水北调中线配套工程输水地下预埋管线承受地面附加荷载，对工程安全、运行安全、输水安全至关重要。

1.地下管线铺设概况

河北省南水北调中线配套工程输水方式，优先选用地下预埋管道重力自流输水。例如，邢台市南水北调中线配套工程水厂以上输水管道总长363km，管径φ500mm～φ2200mm，管道埋设在冻土层以下，埋深2m～5m。其中邢清干渠是全省4条较大输水干渠之一，全长168km，采用3种管材（PCCP管长88km，DIP管长36km，南宫支线采用HDPE管长44km）；邢清干渠以外均采用DIP管铺设。邢台市南水北调中线配套工程示意图见图1。

图1 邢台市南水北调中线配套工程示意图

2.地下管线失稳情形

地下管线的状态完好是保障输水正常开展的基本要求。但实际上，地下管线铺设完成正常输水后，由于受到各种穿越（跨越）管线的建筑物等外在因素影响，如后期各种施工机械碰撞损伤，已有道路超吨位运行，各种动载剧烈震动，后天道路（管路）上下穿越，外来动力干扰，其他强水流剧烈冲刷，加之管线自身因素等，导致输送水管线周围土层破坏、基础失稳，管线两侧受力不均，或管线上方附加应力集中超过管线承受能力等，容易导致地下预埋管线破裂（压裂），承插部位脱位（脱节），管道垂（横、斜）向移位等失稳现象，甚至出现停水情况发生。

3.地下管线上方允许承载力研究

地表以下（管线埋深）土中应力分两种：一是由于土的自重产生的应力，称为自重应力或常驻应力；二是由于地面各种荷载作用在土中产生的应力，称为附加应力。

3.1 自重应力

为简化计算，土的自重可看作分布面积为无限大的荷载，土体在自重作用下既不能有侧向变形也不能有剪切变形，只能产生垂直变形，根据这个条件，均质土中的自重应力可按

（1）求得：

式中：

σcz—地面下z深度处的垂向自重应力，（t/m2）；

γ—土的天然容重，（t/m3）；

z—由地面至计算点的深度（管道埋深），（m）；

σcx、σcy—z深 度 处 的水平压应力（t/m2）；

τxy、τyz、τxz—z深 度 处 的 剪 应力，（t/m2）；

μ—土的泊松比；

ξ—侧压力系数。

当管道上方由成土层组成，见图2（a），任意层i的厚度为zi容重为γi时，则在深度处的自重应力σcz如下所示：

若有地下水存在，则水位以下各层土的容重γi=γi-1代替。若地下水位以下存在不透水层（如岩层、致密黏土等），则在不透水层层面处浮力消失，此处的自重应力等于全部上覆的水土总重，见图2（b）。

图2 土的自重应力分布示意图

一般情况下，自重应力不会引起地下埋设的管道变形及其周边土层变形，因为土层形成经过一段时间后，与管道形成一体，土在自重作用下的压缩变形已结束。只有那些生成年代不久的新土层（如新的填土、冲填土等）才可能有自重作用下的变形问题。

3.2 附加应力

凡是地表其他荷载（例如管道上方车辆通过）产生的附加应力，其分布规律与自重应力不同。因为地面附加荷载与地面接触面积是有限的，是局部荷载，也是动态的，附加荷载通过地面下土粒逐个传递至深层（地下管道上），同时也产生应力扩散，随着深度的增加，荷载分布到更大的面积上去，使得单位面积上的应力愈来愈小。

附加应力的另一特点是使得地面接触面产生新的变形，从而使荷载下方土层发生沉降。变形的延续时间在可塑的或软黏性土中往往很长，长达数年或十余年以上。

3.3 附加荷载在土层中的应力分布

3.3.1 垂直方向线荷载应力

该应力分布可利用弗拉曼（Flamant）式求得，以极坐标表示为：

式中：

Pˉ—垂直线荷载，（t/m）；

式中其他符号意义见图3。

图3 线性荷载应力分量表示法

由式（3）可以看出，该应力分布状态为单纯的幅向压应力。土层内任意点（x，z）处的应力可用直角坐标表示为：

式中：

σx、σz、τxz—分别代表任意点（x，z）处水平方向、垂向压应力及该点处的剪切应力，其分布见图4。在荷载作用点处，诸应力值为无限大；在水平面上，当x=0时，σx＝τxz＝0，而σz则为最大，σz值离z轴越远，其值越小，水平面的位置越深，应力也越小，这就是应力在管道上方土层中的扩散现象。

图4 σx、σz及τxz分布图

3.3.2 均布条形荷载应力

为简化计算，假设地面道路宽度为：B=2B1，将管道上方道路（及其上车辆重量等）一同视为在均布荷载P作用下，道路下方土层中任意点M（x，z）的应力（见图5），可将dPˉ=pdξ及x-ξ分别代替式（4）中的Pˉ及x，并在条形荷载宽度B范围内积分可得：

图5 条形均布荷载

根据式（5），可综合计算并绘制出条形荷载下的应力分布见下图6（a）～（e）。

图6 条形垂直均布荷载作用下土层中的应力分布图

由图6（a）～（e）可以清楚地看出地面附加均布荷载在其下土层中σz、σx、τxz、τmax及其等值线的分布形态。

3.4 管道规避附加荷载设计

3.4.1 铺设位置

河北省南水北调中线配套工程大部分采取地下埋设方式铺设输水管道，根据前述地面条形均布附加荷载应力分布，首先要求管道尽量避开附加荷载应力干扰区，假若地面道路宽度为B=2B1（视道路上各种车辆附加荷载为整体条形均布荷载），则在水平横向上管道应位于道路两侧边缘4B1范围之外（即2倍道路宽度以外）；若水平方向上管道位于道路边缘3B1范围之内，则其埋深不应低于6B1。否则，应采取主动措施加以保护。

3.4.2 埋深及结构

管道埋深控制因素主要是管道上部覆土耕作层要求、冻土层和地面荷载作用。除穿河抗冲和穿路及管线的构造要求外，一般管道埋深均≥2.0m，特殊情况埋深≥1.5m。主管材根据覆土厚度＜3.5m时，主管材选用K8级球墨铸铁管；覆土厚度≥3.5m时，主管材选用K9级球墨铸铁管，管道设计内压0.2Mpa～1.2Mpa。

3.4.3 跨越（穿越）部分采取措施

实际上，管道上方与交通设施在空间上交叉布局是客观存在的。对于等级以上交通设施，由于附加荷载较大，为避免附加荷载直接或间接传递到管线上，应该经正规部门严格设计跨（穿）越方案；对于等级以外道路（比如乡间土路，路宽B=2B1＜4m），穿越段采用钢管，对于管道埋深＞3.0m管段，则加大钢管壁厚，或可设置加筋环、外包0.5m厚混凝土等主动加强措施，并从管道两侧0.6m处起按1∶0.75坡度倒梯形用3∶7灰土回填至路基下，再做200mm厚泥结石路面恢复等缓冲、加固保护，DN700 DIP管道穿越土路纵横剖面示意图见图7。

图7 DN700 DIP管道穿越土路纵横剖面示意图

4.相关建议

一是强化管线日常巡视及维护，及早发现隐患，防患于未然；二是落实《河北省南水北调配套工程供用水管理规定》，在地下输水管涵上方地面及其边线两侧各5m范围内，禁止实施影响工程运行、危害工程安全和供水安全的相关违法行为；三是强化管理，规范其后期建设行为。