濕陷性黃土地區大管徑PCP供水管道水壓試驗分析

2016-08-12 03:00:00白彥剛陜西省涇惠渠管理局陜西三原713800

陜西水利 2016年2期

白彥剛（陜西省涇惠渠管理局　陜西　三原　713800）

白彥剛
（陜西省涇惠渠管理局陜西三原713800）

本文詳細分析了渭北工業園供水項目輸水管道的設計優化要點及水壓試驗過程，確保了濕陷性黃土地區PCP管道地基處理的安全性，為同類供水工程提供了參考依據。

地基處理；大管徑PCP供水管道；水壓試驗

1　工程概況

渭北工業園灣子水廠供水工程跨越咸陽市三原縣與西安市高陵區，位于渭河北岸一級階地，管道采用寧夏青龍管業股份有限公司生產的預應力混凝土管，簡稱PCP管，規格為 DN2000×0.4MPa× 5000mm/H2。管道接口為承插式，止水密封采用滾動式O型橡膠圈。管線由北向南布設，全長5.606km，起點高程為412.80m，末端高程為404.40m。該段管道的工作壓力為0.15MPa，根據GB50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規范》的規定，預應力混凝土管當工作壓力不大于0.6MPa時，其試驗壓力為工作壓力的1.5倍，所以試驗壓力為0.225MPa。

2　地質評價及管道設計

根據地質報告，管道地基為③（Q4al+pl）粉質壤土，干密度平均值ρ=1.52g/cm3，滲透系統k=2.07×10-5cm/s～4.15×10-5cm/s，壓縮系數α1-2=0.51MPa-1，壓縮模量Es=4.36MPa，具有高壓縮性，地基承載力特征值fak=120MPa。該段地基為非自重濕陷性，濕陷等級為Ⅰ級，濕陷起始壓力平均值110KPa，濕陷土厚度為7m～8m。地下水位位于管基影響范圍以下，不存在粉質壤土的震陷問題。結合地質報告和設計優化，管床基礎土墊層壓實系數不小于0.95，3∶7灰土分層夯實、壓實系數不小于0.95。管道包管混凝土為120°角設計。管溝采用分區回填方式。斷面設計圖見圖1。

3　水壓試驗設計

3.1后背墻驗算

當堵板傳遞給后背墻的作用力與后背墻被動土壓力重合時，后背墻土體壁面承受的外力擠壓按郎金被動土壓力計算：

式中：Ep——后背墻每米寬度上的被動土壓力（kN/m）；

γ——后背土的重力密度（kN/m3），根據地質勘察報告，管溝開挖范圍內為粉質壤土，取15.0kN/m3；

H——后背墻高度（m）為4.5m；

h——后背墻頂端至地面高度（m）為1.0m。

Kp——被動土壓力系數，按下式計算：

φ——根據地質勘察報告后背土體的內摩擦角為21°；

c——后背土體的粘聚力29kpa= 29kN/m2；

根據以上計算：

因管道傳遞給后背的作用力R等于試壓管段管端承受的壓力P，所以P可由下式計算：

P=Psπr2=0.225MPa×3.14×（1000mm）2= 706.5kN

P——試壓管段管端承受的壓力；—試驗壓力（N/mm2）；—管道內徑（mm）；

圖1　預應力鋼筋砼管道橫斷面圖

（1）后背墻受力寬度

式中：B——后背受力寬度，m；

R——管堵傳遞給后背的作用力，kN；

Ep——后背墻每米寬度上的被動土壓力，kN/m；

2.0—安全系數。

經計算：

（2）后背土層長度

經計算：

式中：L——沿后背受力方向長度，m；

LR——附加安全長度，m；取0.5m。

試驗中后背墻沿橫向和立向安放兩排4m×0.25m×0.25m枕木，再在枕木前安放2.5m×2.5m加肋鋼板作受力壁板，鋼板厚度為25mm，肋板為80mm×40mm× 1000mm，以壁板中心為圓心向八個方向對稱焊接。后背土體壁面應與后背鋼板貼緊，有孔隙時應用砂石料填塞且夯實。試壓時千斤頂垂直安裝在管道盲板中心與壁板中心。為防止鋼木結構受力變形超過管道接口允許位移量，千斤頂要隨鋼木結構變形量增加而頂伸。

3.2堵板設計

試驗管段所有管口用臨時堵板進行封堵，對堵板厚度按試驗壓力進行嚴格計算，以防止堵板變形水壓試驗失敗。水壓試驗臨時堵板厚度計算按以下公式進行：

式中：［σ］——材料許用應力，［σ］20℃= 12.4kg/mm2；

η——基本應力修正系數，η=1.05；

P——水壓實驗最高允許壓力，MPa；

D——堵板內徑，mm；

K——堵板系數，K=0.45；

S——堵板厚度，mm；

本工程壓力管道段最大試驗壓力為0.225MPa，經計算堵板驗算厚度為 S為11.8mm，實際使用鋼板厚度為25mm。

4　水壓試驗

根據GB50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規范》的規定，給排水管道安裝完成后進行功能性試驗，試驗合格的判斷依據分為允許壓力降值和允許滲水量值，本工程根據設計要求，選擇允許壓力降值作為試驗合格的判斷依據，且管道在出廠前進行了單根管道出廠水壓試驗，根據規范規定在試驗過程中可免去預試驗階段，直接進行主試驗。主試驗階段，停止注水補壓，在試驗壓力下穩定15min，當15min后，壓力降不超過0.03MPa時，將試驗壓力降至工作壓力并保持恒壓30min，進行外觀檢查若無漏水現象則水壓試驗合格。

4.1材料與設備

試驗材料及設備詳見表1。

表1　　試驗材料及設備

表2水壓試驗記錄

4.2試驗過程

輸水管線分多段進行水壓試驗，分段長度均控制在1km以內，試驗用的壓力表經過校驗，精度不低于1.5級，量程為0MPa～1.0MPa，最小刻度為每格讀數0.001MPa。試驗中使用2塊壓力表，打壓端及末端（排氣端）各一塊。電動試壓泵工作壓力應能滿足試驗壓力的要求，加壓泵、壓力表均應安裝在試驗段下游端部與管道軸線垂直的支管上。管道注水時，打開排氣閥門和進口處的法蘭，從管道下游用水泵注水，使管道內的氣體從上端排除。管道注水時水流速度不可太快，應使管道的進水量與排氣量相匹配，如進水量太大而排氣少時，管道內氣體會形成氣囊影響水壓試驗效果。管線注水完成后，根據規范要求，需充分浸泡72小時后，開始用試壓泵對管線進行升壓。升壓前關閉相關排氣閥，升壓時壓力應緩慢上升，在管線壓力達到75%以前，升壓速率不大于0.1MPa/min，在壓力達到95%以后，升壓速率應小于0.01MPa/min。當升壓至試驗壓力的50%時，穩壓15min，觀察管道有無泄漏，壓力有無明顯下降，當壓力表讀數正常時，繼續進行升壓，每升一級均要檢查后背、管身及接口，當確定無異常后，才能繼續升壓。當管道壓力升至試驗壓力后，關停試壓泵，拆開相關的注水軟管，并靜止一段時間（約1h），等管線內的壓力平衡并穩定后，要在試驗壓力下穩壓30min，期間如有壓力下降可注水補壓，但不得高于試驗壓力。試壓完成后，管線的卸壓要緩慢進行，卸壓速率不大于0.1MPa/min。詳細水壓試驗記錄見表2。

4.3注意事項

水壓試驗具有一定的危險性，存在不安全因素，因此水壓試驗應做好方案，加強現場安全管理工作，由專人統一指揮，明確分工，統一安排，要求后背、接口、排氣等特殊部位有專人負責檢查，發現問題時明確規定的聯絡信號，水壓試驗區域周圍設置安全圍欄或警戒標識，嚴禁試驗無關人員進出該區域。