黃土隧洞段壓力鋼管及貼邊岔管結構設計

□董永霞　□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測設計院）

?

黃土隧洞段壓力鋼管及貼邊岔管結構設計

□董永霞□劉琳琳（商丘市水利建筑勘測設計院）

摘要：文章所介紹的黃土隧洞壓力鋼管全線為地下埋管，結合壓力鋼管主、岔、支管的總體布置、水力計算等，闡述了鋼管設計原則，由內水壓力確定管壁厚度，用抗外壓穩定進行復核。在貼邊岔管結構計算時，根據規范公式，計算補強板的寬度和厚度，并對補強板邊緣應力進行近似驗算，針對計算結果進行分析，確定合理的補強板有效寬度和厚度。

關鍵詞：黃土隧洞；壓力鋼管；貼邊岔管；補強板

1　工程概況

蘭州市水源地建設工程是以劉家峽水庫作為引水水源地，向蘭州市供水，工程涉及臨夏回族自治州、東鄉族自治縣、永靖縣和蘭州市，主要包括取水口、輸水隧洞主洞、分水井、蘆家坪輸水支線、彭家坪輸水支線及其調流調壓站、蘆家坪水廠和彭家坪水廠等。水源地建設工程規模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，取水口、輸水隧洞、分水井、調流調壓站、壓力輸水管道及出口建筑物等主要建筑物等級為2級，次要建筑物級別為3級，臨時性水工建筑物級別為4級。

文章所介紹的黃土隧洞壓力鋼管及貼邊岔管則位于蘆家坪輸水支線隧洞上。蘆家坪輸水支線由輸水隧洞主洞末端的分水井開始向北至蘆家坪水廠，而蘆家坪水廠位于蘭州市西固區柳泉鄉蘆家坪，廠區北側山腳下有南山路通過、廠區南側緊鄰南繞城、西側臨近柳泉村、東側臨近寺兒溝。

蘆家坪輸水支線的起始點位置樁號L0+000為分水井中心，末端樁號L1+260.56，線路總長約1.26 km。在樁號L1+220.56處，布置蘭州新區預留岔管，岔管為貼邊岔管，管徑由1.80 m漸變為1.40 m，岔管末端用盲法蘭封堵，做3.00 m×3.00 m的閥井保護，閥井施工完回填恢復地貌。

蘆家坪輸水支線設計流量為10.80 m3/s，采用壓力洞輸水方式，圓形斷面，隧洞內徑3.00 m，隧洞前約0.58 km為巖石洞段，后半段為黃土隧洞，采用壓力鋼管外回填混凝土襯砌結構。

2　地質條件

蘆家坪輸水支線全長1260.56 m，洞向355°，隧洞埋深22～212 m。

L0+000～L0+300段巖性為褐紅色白堊系下統河口群（K/1hk1/）砂巖與泥巖互層，薄層～中厚層，巖體呈強風化～弱風化狀，巖層產狀20°～30°∠21°～25°，隧洞走向與巖層呈正交狀，巖層傾角較緩，對隧洞的整體穩定性不利，隧洞拱頂易出現塌方，分析隧洞圍巖以Ⅳ類為主，局部Ⅲ類。L0+300～L0+586段隧洞位于砂礫石層與強風化砂巖、粘土巖交界帶附近，巖體破碎，成洞條件差，分析隧洞為Ⅳ類圍巖。L0+586.00～L1+260.56段為灰黃色第四系風成黃土，隧洞埋深12～111m，黃土類型為中軟土，具有中等壓縮性、弱透水性和濕陷性等特殊性質，黃土在干燥狀態下具有一定的強度，而遇水后強度迅速降低，迅速破壞垮塌。因此黃土段成洞條件差，圍巖類型為Ⅴ類，隧洞極不穩定，隧洞開挖后圍巖有一定的自穩能力，但自穩時間短，建議加強支護，全斷面襯砌，無論施工和運行過程中均應防止使水浸潤土體。

3　結構設計

蘆家坪輸水支線隧洞為壓力洞，圓形斷面，內徑3 m。根據地質條件，蘆家坪輸水支線前段約500 m處在基覆界線附近，洞頂巖石厚度不滿足挪威；后段則從第四系上更新統風成黃土層中穿過，故蘆家坪輸水支線全長采用壓力鋼管外包鋼筋混凝土結構。

3.1壓力鋼管主管結構設計

3.1.1設計原則

建筑物級別為2級；鋼管承受內水壓力時按照明管進行計算，不計圍巖分擔，內水壓力全部由鋼襯承擔；山巖壓力由外包鋼筋混凝土承擔；由于外包鋼筋混凝土，且鋼管埋于山體中，抗外壓穩定校核按照埋管計算；設計主要依據《水電站壓力鋼管設計規范》、《水工建筑物荷載設計規范》。

3.1.2基本參數

根據調保計算，鋼管設計最大靜水壓力為83.50 m，最大動水壓力為93.50 m。

鋼材：選擇Q245R級鋼彈性模量206000 N/mm2；泊松比0.30；密度7.85 t/m3線膨脹系數1.20×10-5/°C；屈服點鋼板厚度＜16 mm時，245 MPa；鋼板厚度16～36 mm時，235 MPa。

3.1.3荷載組合

①基本荷載組合：正常工況最大內水壓力；管道放空時氣壓差，就是管道放空時的內外氣壓差，設計取0.08 MPa。②特殊荷載組合：特殊工況最高壓力；施工工況：灌漿壓力。僅考慮回填灌漿、接觸灌漿0.20 MPa。

3.1.4管壁厚度計算

鋼管承受內壓時按照明管進行計算，不計圍巖分擔，內水壓力全部由鋼襯承擔。

根據鍋爐公式，計算在最大內水壓力情況下所需管壁厚度t，如下：

式中：t－管壁厚度，mm；γw－水的容重，取10.00 kN/m3；H－最大內水水頭，包括水擊壓力值的設計水頭m；D－鋼管內徑，m；φ－焊縫系數，取0.90；σs－鋼材的屈服強度，采用Q245R，屈服點強度：根據壁厚取245MPa或235MPa；[σ]－允許應力，基本荷載：[σ]=0.55σs；特殊荷載：[σ]=0.7σs。

經計算，鋼管管壁厚度t=15.93 mm，考慮銹蝕厚度2.00 mm，最終鋼板厚度取為18.00 mm。

3.1.5管壁抗外壓穩定校核

根據《水電站壓力鋼管設計規范》（SL281-2003）第6.1.4條，鋼管管壁抗外壓穩定安全系數不得＜2.00。考慮到鋼管外均外包鋼筋混凝土，位于山體中，按埋管進行抗外壓穩定校核，鋼管臨界外壓力根據公式B.2.1-1進行計算。

式中：Pcr－臨界外壓，N/mm2；t－管壁計算厚度，取16.00 mm；r1－鋼管內半徑，取1500 mm；σs－鋼材的屈服強度，采用Q245R，屈服點強度：根據壁厚取245 MPa或235 MPa。

式中t采用計算厚度（即計算時扣除2 mm銹蝕厚度），對于Q245R其σs取235 MPa（厚度16.00～36.00 mm），放空工況為抗外壓穩定校核的控制工況。經計算，抗外壓穩定系數K=4.77＞2.00，大于規范規定值，故鋼管壁厚滿足抗外壓穩定要求。

按照構造要求，壓力鋼管每隔10 m設置一道阻止管壁失穩的加勁環，加勁環環高150 mm，厚度為22 mm，并且對鋼管頂部120°范圍進行回填灌漿，底部120°范圍進行接觸灌漿，其中回填灌漿孔應深入圍巖0.10 m，采用低壓灌漿，灌漿壓力0.15 MPa，接觸灌漿的灌漿壓力為0.10 MPa。

3.2壓力鋼管岔管結構設計

3.2.1設計參數

岔管為卜形貼邊岔管，運行工況下的設計內水頭為85.00 m，分岔角β=55°，主管為錐管，半錐頂角α1=2.44°，支管為錐管，半錐頂角α2=5.71°，分岔處半徑R0=1.50 m，R2= 0.90 m，岔管外回填混凝土襯砌結構。

3.2.2岔管壁厚計算

計算公式：

式中：P—設計內水壓力，N/mm2；R—該節鋼管最大內半徑，mm；K—應力計算系數，由β=55°，R2/R0=0.60，查表取K＝1.45；[σ]—基本荷載下管殼材料的容許應力，[σ]=0.5σs，N/mm2；—焊縫系數；—該節鋼管半錐頂角。

經計算，主管壁厚δ1＝19.91 mm，支管壁厚δ2＝12.00 mm，再考慮銹蝕厚度2.00 mm，由《水電站壓力鋼管設計規范》（SL281-2003）知，管壁最小厚度不宜小于(D/800+4) mm，也不應＜6.00 mm，且鋼管壁厚級差宜取2.00 mm。綜合考慮，主管壁厚22.00 mm，支管壁厚20.00 mm。

3.2.3補強板尺寸計算

補強板厚度δ’計算

計算公式如下：

式中：k—應力集中系數。查表取k=3.50；σ0—管殼膜應力，N/mm2；C—銹蝕裕量，取C=2～3 mm。

經計算，主管壁厚δ1’=4.36 mm，支管壁厚δ2’=4.29 mm，由《水電站壓力鋼管設計規范》（SL281-2003）知，管壁最小厚度不宜＜(D/800+4) mm，也不應＜6.00 mm，最終選取δ1’=8.00 mm，δ2’6.00 mm。由計算結果知，補強板厚度小于管殼厚度，對膜應力場影響較小，所以按經驗法，補強板厚度一般采用與管壁等厚，補強板寬度采用“規范”推薦范圍值0.70R2～1.10R2，取最大值補強板寬度最終為0.80 m。

3.2.4應力驗算

一般采用經驗公式，估算銳角貼邊外緣的最大主應力值，其公式如下：

式中：R2、R0—支管、主管軸線交點處的直徑，m；α1、α2—支管、主管半錐角，°；σ0—主管膜應力，N/mm2；σ—孔口局部應力，N/mm2。

經計算，σmax=107.17 N/mm2＜0.5[σ]=117.50 N/mm2。

4　結論

由上述計算知，蘆家坪支線壓力鋼管段按明管進行結構計算，按埋管進行抗外壓穩定復核，最終選取管壁厚度18 mm。岔管段主管壁厚22 mm，支管壁厚20 mm，補強板厚度分別與管壁厚度相等，主管補強板厚度22 mm，支管補強板厚度20 mm，補強板寬度選取0.80 m，其中補強板與管殼理論上應成為整體，因此補強板的曲率與管殼外緣曲率一致，并且結合緊密，除了孔口及板四周焊接外，必要時，板上宜布置塞焊孔。

（責任編輯：劉長垠韋詩佳）

收稿日期：2016-02-23

作者簡介：董永霞（1982-），女，漢族，工程師，主要從事水利水電工程設計。

中圖分類號：TV732

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8853（2016）03-0089-02