埋地輸水鋼管管道結構設計

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024）

0 引言

地下鋼管結構設計時，首先根據經驗假定管道壁厚，在各種荷載工況下分別計算鋼管的穩定、強度和剛度，最終目的是根據管道的直徑、工作壓力、覆土厚度和地面活荷載等條件確定鋼管壁厚[1]。

1 工程概況

本工程為供水工程，輸水隧洞輸水規模為2.883m3/s。自水庫引水，輸水隧洞接豎井后一分為二，其中岔洞1 再通過地下埋管、倒虹吸、穿山段、涵管段至大橋下游；另一條岔洞2 也包括隧洞段和埋管段。本次計算為岔洞1之后的地下埋管。

水庫的正常蓄水位為184m，校核洪水位192.7m。

埋管段起點樁號FX1+703，終點樁號FX1+812，平面長109m，最大埋深5.2m，埋管采用單管布置，管底高程160.5m，縱坡0%，管道內徑2.0m，管內防腐為普通水泥砂漿，上部回填土至原地面高程。

2 管材選擇

管材的選擇，影響著輸水安全、水質、水頭損失以及工程的投資。

近年來國內在輸水和給水管網中常使用的給水管材有:鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼套筒混凝土管、PE 管等。

2.1 鋼管

鋼管是一種在各行業廣泛應用的管材，具有悠久的應用歷史，豐富的使用經驗。鋼管環向強度、彈性模量較高，能適應各種地質條件，但管道內、外壁需做除銹和防腐處理，除銹和防腐層的質量好壞對使用年限有較大影響，

2.2 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管目前使用較多，具有較高的承壓能力，具有良好的防腐性能，一般內防腐采用水泥砂漿襯里，外防腐采用噴鋅和煤瀝青防腐漆；接口為柔性，抗震性能高；但國內大口徑（DN＞1600am）生產廠家不多，價格較高。

2.3 預應力鋼套筒混凝土管

預應力鋼套筒混凝土管有內襯鋼板，抗滲能力強，其結構能承受較高的內壓，其預應力鋼絲可根據管頂覆土厚度進行設計，其抗外荷能力也較強，由于管材本身獨特的復合結構，不易出現管身漏水、接頭漏水以及爆管現象，耐腐蝕性能較好，一般環境條件不需作內外壁防腐處理，壽命長。但是重量大，需做管道基礎和修筑較高等級的施工運輸臨時便道，運輸成本較高，吊裝困難。工程造價和維護費用低。

本工程為有壓輸水，輸水管道應選擇施工難度小、運行安全性好、可靠度高、投資省、管理維護方便的管材。從使用安全性、使用壽命、施工質量、工程造價和日常維護等多方面綜合分析，鋼管整體性最好，適用于各種地質條件，本次選擇鋼管。

管道結構設計的內容為計算管道的壁厚，并驗證管道在內、外荷載作用下管道的穩定性，如果不穩定，采取相應的加固措施。

3 管道壁厚計算

根據《給水排水工程結構設計手冊》，當DN≥1400mm，設計內壓不大于1.0MPa，覆土厚度不大于4m 時，管壁總厚度一般為管內徑的1/120～1/140的范圍內[1]。

本工程管道直徑2000mm，初步估算壁厚范圍為14.28～16.66mm。鋼管管壁厚度選取14mm 進行強度計算。

4 荷載計算及組合

作用在鋼管上的荷載包括永久荷載和可變荷載。永久荷載包括管道自重、豎向土壓力和管內水重。可變荷載包括設計內水壓力、地面堆積荷載、地面車輛荷載、地下水浮托力、管道運行時可能出現的真空壓力和溫度荷載。根據《給水排水工程管道結構設計規范》的規定，溫度荷載標準值可按±25℃，忽略地基不均勻沉降的影響。

FX1+703～FX1+812 段鋼管管頂的最大埋深為 5.2m。鋼管管徑D=2000mm，初步擬定管壁的設計厚度t=14mm，使用期間鋼管的計算壁厚：t0=t-2=12mm；因此，鋼管外壁直徑D1=2028mm，管道計算直徑D0=2014mm，外壁半徑r1= 1014mm，計算半徑r0=1007mm，管頂至設計地面的覆土高度為5.2m。地下水考慮與地表面齊平，埋深0.0m。鋼材重度：78.5×10-6N/mm3，水的重度：10×10-6N/mm3，回填土的重度：18×10-6N/mm3，回填土的有效重度：10×10-6N/mm3，鋼材及焊縫的強度設計值215 N/mm2，鋼材彈性模量：Es=2.06×105N/mm2；鋼材的泊松比：μ=0.30；線膨脹系數：αs=1.2×10-5/°C ，回填土的變形模量4 N/mm2，回填土的泊松比0.40；回填土的內摩擦角取30°。基槽兩側原狀土變形模量4 N/mm2。

4.1 荷載計算

1、豎向土壓力

對于埋地柔性管管道，管頂豎向土壓力標準值即管上土柱體重量。

2、設計內水壓力

根據《給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規程》（CECS 141:2002），給水工程鋼管管道設計內水壓力標準值：

式中：Fwd，k——鋼管設計內水壓力標準值，取值≥0.9 N/mm2；

Fwk——鋼管管道的工作壓力標準值。

本工程輸水系統水頭為22.50m，工作壓力為0.225 N/mm2，因此設計內水壓力標準值取值0.9 N/mm2。

3、地面車輛荷載

地面車輛荷載計算時，假定1輛車駕駛，車輛單個輪壓標準值為70KN，車輪總數n為4，單個車輪著地分布長度a為0.6m，單個車輪著地分布長度b為0.2m，地面相鄰兩個輪壓平均凈間距d1為1.8m。

計算得出車輛產生的管頂壓力標準值=3.26KN/m2。

4、地面堆積荷載

地面堆積荷載標準值Fvk取值10 KN/m2，準永久值系數φq=0.5。

5、浮托力

浮托力計算時按最高地下水位，即地下水埋深為 0.計算結果為32.30KN/m2。

荷載計算結果如下表4.1-1所示：

表4.1-1 荷載標準值及分項系數

4.2 荷載組合及計算工況

本次按照承載能力極限狀態進行強度計算、穩定驗算，正常使用極限狀態進行剛度驗算，以復核該段埋管管壁的厚度。

表4.2-1 按承載力能力極限狀態計算的作用組合

正常運行基本荷載組合：正常運行基本荷載組合：豎向土壓力+管內水重+管自重+設計內水壓力+地面車輛荷載+真空壓力

5 管道結構計算

根據初選的壁厚，驗算不同荷載組合作用下鋼管的強度、截面穩定性、抗浮和剛度是否滿足要求。計算結果如下表5-1所示：

表5-1 強度、穩定性和剛度驗算結果

6 管道加固

鋼管壁厚14mm 時，豎向變形超過限值。通過計算可知，當管頂覆土為5.2m 時，滿足剛度要求的壁厚是25mm。

環向變形的理論基礎是管土相互作用，環變形等于外荷載與管剛度和土壤剛度之和，因此當環變形結果超標后，正確的處理方法是更換埋置材料，而不是增加壁厚。管側埋置土對減少柔性管道環向變形起到決定性作用[5]。本工程輸水管線路布置在農田、魚塘段，受農作活動影響，管道埋置土采用原土回填。為了增加管道周圍埋置土的彈性模量，采用鋼管外包混凝土，厚度60cm，以承擔外部荷載作用。

該外包混凝土結構與土質隧洞的襯砌結構相同，進行混凝土結構內力計算時采用軟件《水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機輔助設計系統》MSDI-SDCAD（2013）。經配筋計算和抗裂驗算均不開裂，外包混凝土內外側按最小配筋率配置構造鋼筋即可。管道的斷面設計如下圖所示：

圖6 埋地鋼管橫斷面圖

7 結論

埋地輸水鋼管結構設計，首先根據經驗估算鋼管壁厚，并驗證在承載內外壓情況下的強度、截面穩定性、抗浮和剛度是否滿足要求，在不滿足限值要求的情況下，可以選擇增加管道壁厚，但根據管土相互作用的理論基礎，更換管側埋置土是正確的處理方法。本工程輸水管線路布置在農田、魚塘段，受農作活動影響，采用原土回填，因此在鋼管壁厚剛度驗算不滿足要求的情況下，采取在鋼管外包混凝土，厚度60cm，按最小配筋率配置構造鋼筋以承擔外部荷載。