農(nóng)飲工程管道穿跨越工程設(shè)計(jì)施工方案研究

李 芳

（尉犁縣水利綜合服務(wù)中心，新疆 尉犁 841500）

0 引言

管道穿跨越河流、鐵路、公路等障礙物方式通常分為穿越和跨越兩種方式。穿越主要有大開挖、定向鉆、隧道、頂管等方式，跨越主要有桁架、懸索等方式[1]。穿跨越方式的選擇涉及到地形、地質(zhì)、水文等多方面因素。尉犁縣墩闊坦鄉(xiāng)農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程涉及到一處跨河工程，45 處穿渠道、排渠、生態(tài)渠、洪溝等交叉建筑物，1 處穿越堤防和74 處跨越道路工程。如何經(jīng)濟(jì)合理地處理與這些障礙物的交叉關(guān)系到工程項(xiàng)目的最終實(shí)施效果，作為農(nóng)飲工程的控制性工程對保證管網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

1 工程概況

項(xiàng)目區(qū)地處塔里木河中游及孔雀河上游沖積平原交匯處，地勢平坦，土地肥沃，地形總趨勢為西南高，東北低，總地形坡降1/2000～1/4000，海拔高程在904 m～908 m 之間，管道主管線沿尉犁縣城至喀爾曲尕鄉(xiāng)公路、鄉(xiāng)村道路進(jìn)行鋪設(shè)。

尉犁縣墩闊坦鄉(xiāng)農(nóng)村飲水安全鞏固提升工程基于現(xiàn)狀供水管網(wǎng)，提出經(jīng)濟(jì)合理的改建方案，統(tǒng)籌進(jìn)行改擴(kuò)建聯(lián)網(wǎng)工程設(shè)計(jì)。工程供水范圍為尉犁縣墩闊坦鄉(xiāng)5 個(gè)行政村和喀爾曲尕鄉(xiāng)3 個(gè)行政村，解決8697 人、1901 戶的飲水問題，設(shè)計(jì)日供水規(guī)模為794.02 m3/d。

2 管道穿跨越工程設(shè)計(jì)施工方案

2.1 跨河工程

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)管道跨河有一處，位于烏斯曼引水樞紐下游消能處，管道樁號67+519 處，樞紐下游消能池寬約120 m，樞紐寬約70 m。管道跨河時(shí)，由于河道寬度較寬，難度較大，需對工程管道跨河方案進(jìn)行比選。

2.1.1 輸水管采用頂管法直接從河底穿過（方案一）

輸水管道用頂管法（鋼管擠壓頂進(jìn)）直接從河底穿過，其型式等同于倒虹吸管。

（1）適用條件

具有用材料少、節(jié)省勞動(dòng)力、工程造價(jià)低、施工難度小、施工安全方便、地基承載力要求相對低等優(yōu)點(diǎn)，但水頭損失較大，施工質(zhì)量要求高。

（2）管道斷面形狀

由水力計(jì)算可知，跨越塔里木河管道管徑D=250 mm，為PE 管材，工作壓力為10 kg/cm2。跨越河道時(shí)將其埋在河床沖刷深度以下即可，由《新疆維吾爾自治區(qū)內(nèi)陸河一塔里木河干流防洪工程可行性研究報(bào)告》可知，該處沖刷坑計(jì)算深度為4.83 m，為了保證輸水安全，將輸水干管埋在樞紐下游消能池底板以下10 m。

（3）工程布置

為了防止后期外部荷載對供水管道的影響，在河床表面下10 m 深處埋設(shè)鋼套管方式，輸水管道從鋼管內(nèi)穿過，并在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置砼鎮(zhèn)墩。

由于本工程管道埋藏在河床底，一方面溫度變化小，另一方面河床質(zhì)以及回填土的摩擦力對輸水管的軸向力積聚有一定的消散作用，故只在彎管處布置鎮(zhèn)墩。

2.1.2 利用交通橋橋體結(jié)構(gòu)來布設(shè)輸水管線（方案二）

擬利用現(xiàn)有橋梁底梁側(cè)面做支架以架設(shè)管道通過河流，支架為直角三角形，兩直角邊長分別為450 mm 和700 mm，材料用角鐵材料，整體進(jìn)行焊接而成，在長為700 mm 的直角邊上，鉆φ20 圓孔，后期用螺桿進(jìn)行支架與橋梁的加固。對于跨河管道作保溫處理，管道外圍套φ250 鋼套管及聚氨酯發(fā)泡保溫材料。設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）支架結(jié)構(gòu)形式確定

支架結(jié)構(gòu)初定為三段角鋼圍焊成一個(gè)三角形框架，之后錨固于梁板上，具體的結(jié)構(gòu)形式見圖1。

圖1 三角鋼架結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，橫撐長0.5 m，支架高0.7 m，支架斜撐的豎直角為36°，PVC 管徑為250 mm。

由計(jì)算可知單位長度水重為0.2723 kN，單位長度PVC 管自重為0.0165 kN，故單位長度荷載總計(jì)為0.29 kN，荷載作用點(diǎn)位于支架橫撐的中點(diǎn)位置。

（2）輸水管最大支撐間距計(jì)算

利用支架來架設(shè)輸水管道，除了要考慮鋼架對輸水管道的有效支撐外還需考慮在大橋上穿孔對大橋的影響，所以在布設(shè)鋼架時(shí)，須合理的布置支架的間距，首先不能太疏，造成單個(gè)支架的荷載過大，對支架處橋梁的局部穩(wěn)定不利;其次間距亦不能過密，橋梁處穿過多、過密的孔洞，于大橋的整體穩(wěn)定性不利。參考同類工程，間距取作5 m。

（3）角鋼抗拉彎計(jì)算

這是一個(gè)拉彎構(gòu)件強(qiáng)度與剛度計(jì)算的問題，單向受彎，故作用在一個(gè)主平面內(nèi)截面強(qiáng)度可參照式（1）計(jì)算：

式中：N 為截面軸向拉力；A 為截面面積；Mx為截面最大彎矩；γx為塑性發(fā)展系數(shù)；Wnx為截面抵抗矩。

經(jīng)驗(yàn)算，當(dāng)采用圖1 的結(jié)構(gòu)形式時(shí)，角鋼支架以5 m 為間距，此時(shí)支架應(yīng)采用70×50×6 的不等肢角鋼。

（4）螺栓抗拉計(jì)算

鋼支架與梁之間還需要螺栓加以錨固，所以還需對螺栓的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校核，計(jì)算公式見式（2）：

式中：N 為截面軸向拉力；Ae為螺栓的有效截面面積；ftb為螺栓的許用抗拉應(yīng)力（與螺栓的等級、材質(zhì)有關(guān)），經(jīng)計(jì)算，擬采用直徑為12 mm 的普通c 級螺栓（4.6～4.8 級）作為錨固螺栓。

（5）螺栓抗剪計(jì)算

輸水管是架設(shè)在鋼支架上并通過螺栓來承受其重量，所以還需對螺栓的抗剪能力進(jìn)行校核，計(jì)算公式（3）如下：

式中：Q 為截面最大剪力；Ae為螺栓的有效截面面積；fvb為允許用抗剪應(yīng)力（與螺栓的等級、材質(zhì)有關(guān)），經(jīng)計(jì)算，采用直徑為12 mm的普通c 級螺栓（4.6～4.8 級）作為錨固螺栓滿足抗剪要求。

（6）輸水管保溫層厚度計(jì)算

類比相近地區(qū)的保溫做法，在本工程中采用6 cm 的聚氨酯發(fā)泡保溫材料。

2.1.3 跨河方案比選

方案一工程投資最高，施工難度較大，不易維護(hù)，供水安全性較低；方案二工程投資低，供水安全性高，維護(hù)方便，但對橋體的安全承載產(chǎn)生一定影響，并且該樞紐目前還未通過安全鑒定。綜上所述，推薦方案一作為管道跨越塔里木河的輸水線路方案。見表1。

表1 管網(wǎng)跨河方案對比表

2.2 跨渠、溝、水面工程

穿渠工程主要指管道穿越灌溉渠道、排渠、生態(tài)渠、洪溝（干涸）等交叉建筑物，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共45 處。

2.2.1 穿越灌溉渠道

采用鋼管擠壓頂進(jìn)的方案，為了防止以后外部荷載對供水管道的影響，本次設(shè)計(jì)在渠道底板面下3.0 m 深處埋設(shè)鋼套管方式，輸水管道從鋼管內(nèi)穿過，并在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置混凝土鎮(zhèn)墩。

2.2.2 穿干排、生態(tài)渠、洪溝（干涸）

采取破渠開挖，從渠底穿過，管道盡可能埋深而不裸露在外，可采用開挖回填管溝方式進(jìn)行過渠，并在輸水管兩端設(shè)置鎮(zhèn)墩。

2.2.3 水面穿越工程

水面主要是塔里木河生態(tài)渠放水而形成的，工程施工時(shí)應(yīng)避開放水時(shí)段，在水位降下去后再施工。施工時(shí)管道深埋而不裸露在外，采用開挖回填管溝方式通過水面穿越處，并在輸水管兩端設(shè)置鎮(zhèn)墩。

穿越干排及水面時(shí)應(yīng)先排水形成干地后施工。在基坑開挖后，為便于管道基礎(chǔ)及鎮(zhèn)墩混凝土施工，本工程采用開挖排水溝明排和水泵抽水相結(jié)合辦法進(jìn)行施工。在基坑內(nèi)側(cè)布置排水溝，在低洼處布置集水坑，用水泵自集水坑內(nèi)抽取集水，排至基坑外圍。

2.3 穿越堤防工程

本項(xiàng)目工程中，管道沿線有5 處生態(tài)渠放水形成的水面寬度過長，管道通過此處時(shí)由于水量過于集中形成了海子，施工排水措施不可取，故管道需穿越塔里木堤防進(jìn)入堤防內(nèi)側(cè)避開海子后再穿越堤防回到原設(shè)計(jì)路線。

穿越塔河防洪堤工程與塔里木河流域管理局協(xié)調(diào)，采用鋼管擠壓頂進(jìn)方案，避免對堤防的破壞。為了防止以后外部荷載對供水管道的影響，本次設(shè)計(jì)在堤防坡腳線下3.0 m 深處埋設(shè)鋼套管方式，底部輸水管與兩岸輸水管的銜接坡度應(yīng)緩于1∶2.0，輸水管道從鋼管內(nèi)穿過，并在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置砼鎮(zhèn)墩。

2.4 跨路工程

本項(xiàng)目工程中，管網(wǎng)管道過各種道路共計(jì)74 次，其中穿鄉(xiāng)村柏油道路19 次，管網(wǎng)穿鄉(xiāng)村公路（砂石路面）55 次，考慮到項(xiàng)目區(qū)屬寒冷地區(qū)，采取開挖回填管溝方式進(jìn)行過路，并埋設(shè)鋼套管，在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置鎮(zhèn)墩。

2.4.1 管道穿越鄉(xiāng)級柏油路

主要穿鄉(xiāng)村柏油路，與公路部門協(xié)調(diào)，跨柏油路的管道是鋼管擠壓頂進(jìn)的方案，減少對柏油路面破壞。為了防止以后外部荷載對供水管道的影響，本次設(shè)計(jì)在路面下1.5 m 深處埋設(shè)鋼套管方式，輸水管道從鋼管內(nèi)穿過，并在鋼套管及輸水管兩端設(shè)置砼鎮(zhèn)墩。

2.4.2 穿鄉(xiāng)村砂石路

穿砂石路（鄉(xiāng)村內(nèi)部道路）時(shí)均采用大開挖形式，為了防止以后外部荷載對供水管道的影響，本次設(shè)計(jì)埋深在路面下1.5 m 以下，在溝底依管徑的大小鋪設(shè)不同直徑的鋼套管，管道兩端設(shè)置砼鎮(zhèn)墩，從而保護(hù)管道安全運(yùn)行，管道鋪設(shè)完畢，應(yīng)盡快將路面恢復(fù)。

3 結(jié)語

當(dāng)前我國處于大力興建各類管道工程階段，在長輸管道穿跨越方案的選擇方面，應(yīng)在通盤考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的基礎(chǔ)上采取安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、方便施工和維護(hù)管理及費(fèi)用較低的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)兼顧水利部門要求、防洪施工季節(jié)對工期影響要求等因素，在滿足各部門要求下選擇最優(yōu)穿越方案和施工工藝以獲得最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。