理论研究 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８—１３０５．２０１６．０２．０２０ 水利技术监督 ２０１６年第２期 ＰＣＣＰ管道承载特性及管线设计研究 周立坤 （凌源市应急供水建设管理处，辽宁朝阳１２２５００） 摘要：输水管线周围的土体承载能力较低，孔隙较大，容易导致不均匀沉降。以青龙河引水工程输水工程为研究 对象，首先对ＰＣＣＰ管道承载特性进行研究，分析了管道旋转角对承载特性的影响，并计算了管道位移特性。其 次对ＰＣＣＰ管道设计进行探讨，研究了管道埋深和防腐。根据现场试验，提出了减小管道旋转角的方法，为类似 输水管线工程提供参考和借鉴。 关键词：ＰＣＣＰ管道；承载特性；施工技术；青龙河 中图分类号：ＴＶ６７２＋．２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—１３０５（２０１６）０２—００４５—０３ 软土基的塑性较强，其固体力学性能与普通土 道具有较强的抗变形能力。但当旋转角度超限时， 基不同 。由于土体结构，软土基可以承受一定的 外部载荷，具有固体的力学性能；但当外部载荷较 大时，软土基发生塑性形变，同时由于软土具有较 大的粘度，其经常导致管道事故 。ＰＣＣＰ管道直 径较大，一般由预应力混凝土制备，具有良好的伸 插接管出现较大应力，并使管道结构破坏。图１给 出了管道旋转示意图，ＰＣＣＰ管道直径为Ｄ，长度 为Ｌ，管道间的最大缝宽为△，最大旋转角为 ００，则： Ａ ０。＝２ａｒｃｓｉｎ（ ） （１） 缩性和耐腐蚀性，抗渗能力也优于一般管道 。基 于国内研究情况，对ＰＣＣＰ管道工作机理进行研 究，分析了旋转角对运行的影响，计算了ＰＣＣＰ管 道的位移特性。通过现场试验，对ＰＣＣＰ管道施工 工艺进行探讨，希望为今后输水管道结构设计提供 参考。 如管道直径为１．２ｍ，则Ａ点处的最大缝宽为 ２．３ｅｍ，当转角为１．５。时，ＰＣＣＰ管道问的最大缝 隙为８．７ｅｍ。 ｆ Ｄ １ ＰＣＣＰ管道承载特性 １．１接缝宽度与转角关系 ｌ 图１管遭旋转示葸图 青龙河水源段为单管线输水，线路全长 ５８．１１ｋｍ，其中管道长５６．１１ｋｍ，隧洞长２ｋｍ。ＰＣ— ＣＰ管道直径为１２００ｍｍ，其中过河和管道压力大于 １．０ＭＰａ的为钢管，其他为ＰＣＣＰ管。钢管长 ３４．９０ｋｍ，ＰＣＣＰ管长为２０．６ ｋｍ。ＰＣＣＰ管有内衬 式（ＰＣＣＰ—Ｌ型）和埋置式（ＰＣＣＰ－Ｅ型）两种型式， 本工程管径为１２００ｍｍ，采用埋置式即ＰＣＣＰ—Ｌ结 １．２弯曲管段受力分析 ＰＣＣＰ管道通过旋转可以抵抗刚性约束，但如 果旋转角度超限，管道则会出现弯曲，假设此时的 选择角度为０（０＞０ ）。转角位移计算式为 ： Ａ 构。ＰＣＣＰ管道接口技术有单胶圈和双胶圈两种， 双胶圈接口技术安装后可以进行密闭性检测试验， 比单胶圈接口技术更加可靠，因此ＰＣＣＰ输水管道 接口采用双胶圈技术 。 ＰＣＣＰ管道接头为搭接，正常工况下，接头可 以旋转一定角度，这种设计组织了弯矩传递，使管 『ＭＡ ＝４ｉ０Ａ＋２ｉ０Ｂ一６ｉ手 Ｊ （２） ｌ Ｍ ：２ｉ０ ＋４ｉ０ 一６ｉ 式中： 、 为２段管道的弯矩；０ 、０ 为旋转 收稿日期：２０１５—０８—２６ 作者简介：周立坤（１９８ｏ年一），男，工程师。 ２０１６年第２期 水利技术监督 理论研究 角；Ｌ为管道长度。 假设插入上一段管道的长度为６ｃｍ，管道直径 １．２ｍ，经计算得出不同超限旋转角度下的ＰＣＣＰ管 道应力分布情况，如图２。由图２可知，管道旋转 角超限０．０１。时，ＰＣＣＰ管道中的最大应力已达 ２６４ＭＰａ；管道旋转角超限０．０２。时，最大应力已达 撤出后，侧面地基土会对ＰＣＣＰ管道产生侧向压 力，由于回填土和地基土的力学性能不同，因此相 邻管段受到的载荷也不同，导致ＰＣＣＰ管道出现不 均匀的水平位移。 ２ ＰＣＣＰ管线设计 ２．１埋深设计 ５４０ＭＰａ，已超过管道屈服应力，此时管道已经 损坏。 ｌ００００ １０００ 宝 ｌｏ０ ≥】 －Ｋ １０ 蛹１ ０ ０．０２ ０．０４ Ｏ．０６ ０．０８ ０．１ ０．１２ Ｕ．１４ 超过最大转角的度数（度） 图２不旋转角度下最大应力分布 １．３管道位移特性 在软土基上安装ＰＣＣＰ管道，由于载荷不均匀 性，回填土会在自身重力的作用下出现不均匀沉 降，这部分不均匀载荷作用在ＰＣＣＰ管道上，存在 安全隐患 。因此分析ＰＣＣＰ管道的承载特性，首 先应对不均匀沉降进行研究。当载荷大小相同，但 土体材料不同时，管道就会出现不均匀沉降，为了 研究不均匀沉降与管道旋转角的关系，建立了机动 场极限分析理论，如图３。 图３管道沉降与土体强度关系机理 假设单位长度的管道质量为ｐ ，则软土基极限 承载力Ｐ ＝Ｐ ，管道外径为Ｄ ，软土基不排水强度 为ｃ，则ＰＣＣＰ管道沉降计算式为 ： （３） 若管道１的不排水强度为３０ｋＰａ，管道２的不 排水强度为１０ｋＰａ时，经计算２段管道间的旋转角 度为０．５。。假设回填软土的压实度相应，当钢板桩 输水管道由南至北纵贯凌源市，穿越了凌源市 大凌河西支和青龙河２条河流，所经地段主要为河 道、河滩地、山沟、山坡地，管道埋深１．３５ｍ，开 挖深度为３～４ｍ，地层岩性主要为砂卵石、含碎石 粘性土及少量的强弱风化岩。根据开挖断面地层岩 性确定开挖边坡，砂卵石、含碎石粘性土、强弱风 化岩的开挖边坡分别为１：１．５，１：１，１：０．７５。根据 开挖深度及边坡初步估算开挖量。 根据地质勘测资料，除个别地段外，管道地层 岩性主要为砂卵石、含碎石粘性土及少量的强弱风 一。一 毒毒 化岩。基础承载力均大于１５０ｋＰａ，ＤＮ１２００的ＰＣ—１ １ Ｏ ４ ２ １ ８ ＣＰ管道埋深６ｍ时对基础荷载为８０ｋＰａ，远小于基 础未经修正的的承载力，基础承载力满足要求。在 桩号为２５＋５０２～２６＋１４５的地段局部有淤泥质土 为不良地质段，需换填砂土。将淤泥全部挖除，分 层回填砂土，换填材料采用强度较高、稳定性较 好、均匀掺加砂石料的粘土。换填垫层的厚度不宜 大于３ｍ，且下部淤泥层覆盖较薄，深度小于等于 ２ｍ的淤泥质土层，采用换填垫层的方法处理，不 同垫层厚度与ＰＣＣＰ管道旋转角的关系如图４。 Ｕ ， １Ｕ ｌ５ ２Ｕ ２５ 垫层厚度（ｃｍ） 图４垫层厚度与ＰＣＣＰ管道旋转角的关系 由图４可知，随着垫层厚度的增加，ＰＣＣＰ管 道旋转角逐渐降低，说明碎石垫层可以有效的将应 力耗散。在管道施工中铺设碎石垫层，可以有效的 减小管道转折角，提高管道使用寿命。 ２．２ 防腐设计 根据ＰＣＣＰ管道铺设段地下水和土壤资料，地 下水对混凝土及钢筋均为无腐蚀，但对钢结构具有 腐蚀性，所以ＰＣＣＰ管外壁不做防腐蚀处理，但管 Ｏ ６ ２０１６年第２期 水利技术监督 工程实践 式，杞柳采用３年生苗，按４株／ｍ 栽植。 ３．４．２水环境净化基础工程 包括牛轭湖湿地区和护岸生态区的护岸工程。 生存、繁衍的野生动植物极为丰富，其中有许多是 珍稀特有的物种，是生物多样性丰富的重要地区和 濒危鸟类、迁徙候鸟以及其它野生动物的栖息繁 殖地。 ４．４对辽河保护区的影响 （１）进出水系统土方工程。将现在的牛轭湖 进出口开挖整形，进口高程降至１０．８ｍ，出口 高程降至１０．８ｍ，湖内河道局部整形处理，降 至１０．８ ｍ高程；进出口整形设计为５ ｍ宽渠道， 边坡为１：３。 工程建设加速推进了辽河干流环境综合治理， 把建设生态文明放在更加突出重要的位置。加快推 进辽河干流治理和保护，彻底摘掉重度污染的帽 子，对建设节约型社会，实现辽宁老工业基地振 兴，促进辽宁经济社会可持续发展，具有重要的历 史和现实意义。加强辽河干流污染治理对改善民 生条件、提高人民生活水平，促进和谐辽宁和 生态文明社会建设，具有重要的社会意义。通 （２）护岸生态区的基础护岸工程。在牛轭湖上 游迎水侧布设护岸共５９８ｍ，设计采用雷诺护垫软 体排平顺护岸型式。即水上部分采用雷诺护垫护 岸，水下部分采用软体排压石护底。考虑牛轭湖为 天然形成，不对其常水位以上进出口封闭，故分为 ３段布设，既１号护岸、２号护岸、３号护岸，长 度分别为２５０ｍ，１７８ｍ，１７０ｍ。为防止洪水期抄后 路，常水位以下为一体，采用抛石措施。 过湿地修复工程能促进水生生物和鱼类的繁衍， 鱼类、昆虫等数量及种类逐渐增多，为候鸟栖 息和觅食提供了场地，为昆虫及蛙类提供了越 冬场所，动物的生存环境将大为改善，生物物 种进一步丰富。 ４工程建成后对河道的影响 ４．１对辽河水量的影响 工程建成后，河水经橡胶坝进入湿地系统，在 湿地中按一定水位运行。由于水面的蒸发、植物的 ５ 结论 通过对红庙子牛轭湖及其周边进行综合整治， 利用栽植水生植物及耐淹植物净化水质、护岸基础 防护配合生态防护等措施，进行水环境综合治理。 目前该段水质已达Ⅳ类水质标准。水环境综合治理 对恢复、改善和维护水域生态系统结构的完整性， 促进生态系统的良性循环和健康发展，发挥生态系 蒸腾以及因水位抬高引起的渗漏等作用，水量会有 一定损失。但是为了保证湿地系统的正常运行，橡 胶坝水位的设计，能够满足湿地植被的生长。河流 处于丰水期时，能够通过抬高橡胶坝而提高需水 量，起到一定的削减洪水的作用。 ４．２对辽河水质的影响 统的自我调节功能，削减污染负荷，全面改善河道 水环境有重要的意义。 参考文献 ［１］ＧＢ２０２８６．堤防工程设计规范［Ｓ］． 工程建成后，经过湿地处理后可削减的量分别 约为２．８６ｔ／ａ和０．２１ｔ／ａ。人河水质得到了极大的改 善，湿地出水水质基本为Ⅳ类或优于Ⅳ类，这对于 逐步改变河流污染状态，提高河流水质，促进水环 境改善有重大意义。 ４．３对辽河生态的影响 ［２］高雷，陈卓，杨丽敏．人工湿地水生植物的管理和维护［Ｊ］．水 利技术监督，２０１３（０５）：３６－３８． ［３］刘坚强，卢跃华，刘贵平．雷诺护垫护坡设计及应用［Ｊ］．人民 珠江，２０１０（０１）：３０—３１． 水质的改善可全面改善河流的水环境，营造更 好的鸟类水禽栖息环境。保护生物和遗传多样性， ［４］纪显庆．软体排冰面沉排施工［Ｊ］．东北水利水电，２００２ （０１）：２１． 湿地的生物多样性占有非常重要的地位。依赖湿地 （上接第４７页） ［３］孙显峰．管道阴极保护防腐措施在大伙房输水工程中的运用 ［Ｊ］．中国水能及电气化，２０１５（０６）：３５－３７． ［Ｊ］．水利规划与设计，２０１５（０５）：６７－６９． ［６］武立强．用早龄期法推定ＰＣＣＰ管芯混凝土２８ｄ抗压强度［Ｊ］． 水利技术监督，２０１５（０３）：６０—６２＋９８． ［７］乔裕民，侯仰增，毕士君，金晓鸿．ＰＣＣＰ管道外防腐涂料消耗量 计算方法的探讨［Ｊ］．水利规划与设计，２０１３（０４）：５９—６１＋７７． ［８］于龙．关于ＰＣＣＰ管道采购招标控制价编制的探讨［Ｊ］．水利技 术监督，２０１４（０６）：２７—２９． ［４］李保华．大口径ＰＣＣＰ管线承插式绝缘接头技术研究［Ｊ］．水利 规划与设计，２０１５（０５）：６５－６６＋９４． ［５］唐连涛．ＰＣＣＰ插口内壁混凝土环裂形成机理及控制措施研究
