輸水管線工程PCCP管砂礫料回填指標(biāo)研究與實(shí)踐

張巖

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引言

為實(shí)現(xiàn)水資源合理配置，室外長(zhǎng)距離輸水管道工程越來(lái)越多，尤其是大口徑輸水管道不斷出現(xiàn)，其中PCCP管就是目前常用的大口徑輸水管道之一。PCCP管是中國(guó)20世紀(jì)80年代末引進(jìn)的管道技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)PCCP管最大管徑已達(dá)4 m。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)是以鋼筒混凝土為管芯，在混凝土管外纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，在鋼絲表面噴20 mm以上的砂漿保護(hù)層。管道承插口采用鋼板冷加工成型、公差配合，加工精度高，插口密封采用雙膠圈，密封性能好。既具有鋼管抗?jié)B、抗拉優(yōu)點(diǎn)，又具有混凝土管耐腐蝕、耐磨損和抗外壓優(yōu)勢(shì)，使用壽命長(zhǎng)，能承受較高的內(nèi)壓和外壓荷載，內(nèi)壓達(dá)30.00 kg/cm2，外壓最大能承受10.00 m深覆土壓力，此類管材的管件配套齊全、簡(jiǎn)便、可靠。PCCP管體為剛性管，而接頭采用承插式，具有可撓性，整體上屬柔性設(shè)計(jì)，是較好防震管材。

《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》顯示預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管的公稱內(nèi)徑為DN400～DN4000，管線運(yùn)行工作壓力或靜水頭≤2.00 MPa，目前國(guó)內(nèi)PCCP管的最大工作壓力可做到2.00 MPa；有資料顯示國(guó)際上應(yīng)用PCCP管工作壓力已達(dá)3.10 MPa以上，最高工作壓力可達(dá)4.10 MPa以上，最大管徑可達(dá)DN7600，使用壽命可達(dá)50 a之久。工程實(shí)踐中由于PCCP管的生產(chǎn)線可遷移至施工現(xiàn)場(chǎng)，有效降低工程運(yùn)費(fèi)，因此其綜合造價(jià)尤其是相同大口徑管材中有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在長(zhǎng)距離、大口徑輸水工程中已得到廣泛應(yīng)用。

新疆某長(zhǎng)距離輸水管線整體工程等級(jí)為Ⅰ等大(1)型。輸水管道主要建筑物級(jí)別為2級(jí)。該工程充分利用PCCP管的優(yōu)勢(shì)，全線采用地埋PCCP管輸水，最大管徑DN3400。管路沿線地形高低起伏較大，存在含土碎石、粉土質(zhì)砂、含土中細(xì)砂、砂卵礫石、含土砂卵礫石、含土砂礫石、黃土等地層巖性，地震基本烈度為Ⅷ度。管道敷設(shè)時(shí)，管溝底部設(shè)置200.00 mm厚砂礫料墊層，其他部位采用開(kāi)挖料回填，回填指標(biāo)對(duì)保證管道安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2 回填指標(biāo)

2.1 規(guī)范中的回填指標(biāo)

PCCP管回填指標(biāo)，目前所依據(jù)的規(guī)范有《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》《給水排水工程埋地預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》等。

在以上規(guī)范中，剛性PCCP管兩側(cè)回填指標(biāo)均≥90.00%，管溝回填典型橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 溝埋式管道回填土壓實(shí)要求典型橫斷面圖

新疆某長(zhǎng)距離輸水管線工程，線路長(zhǎng)，地層巖性復(fù)雜多變，不同地層巖性采用的回填料不同。采用細(xì)粒土回填時(shí)，可采用壓實(shí)度指標(biāo)；當(dāng)采用砂礫料回填時(shí)，需要用相對(duì)密度指標(biāo)，目前相關(guān)輸水管道規(guī)范中未給出相對(duì)密度控制指標(biāo)。

2.2 砂礫料回填不同分區(qū)相對(duì)密度壓實(shí)指標(biāo)重要性分析

管道沿線砂礫石段，管道回填分區(qū)見(jiàn)圖1所示。

墊層區(qū)，位于管道正下方、寬度為管道外徑1/3范圍內(nèi)的墊層不宜壓實(shí)，規(guī)范中這一要求考慮安裝時(shí)便于進(jìn)行高程調(diào)整，安裝過(guò)程中PCCP外防腐層不被磨損，同時(shí)在回填后，管道下壓過(guò)程中有利于形成土弧支撐角，避免管底應(yīng)力集中，有利于管道結(jié)構(gòu)安全。1/3范圍內(nèi)不宜壓實(shí)可理解為不壓，采用天然開(kāi)挖地基即可。但墊層區(qū)除管道正下方寬度為管道外徑1/3范圍以外必須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行壓實(shí)。

PCCP管結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)一般采用土弧基礎(chǔ)，工程結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)土弧角度取90°，設(shè)計(jì)回填支撐角120°，以保證有一定的安全裕度。120°支撐角通常也稱為腋角部位，是結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵點(diǎn)，其壓實(shí)指標(biāo)至關(guān)重要。

《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》說(shuō)明顯示，地埋管道的受力狀態(tài)不完全取決于管體本身的結(jié)構(gòu)性能，而與周圍土體密切相關(guān)。對(duì)回填分區(qū)提出壓實(shí)度要求，加強(qiáng)管側(cè)土體的支承作用，使其受力得到改善，可充分發(fā)揮管體的承載能力。

博士學(xué)位論文《軟土地基上南水北調(diào)PCCP供水管線工程施工關(guān)鍵技術(shù)研究》文中對(duì)不同壓實(shí)度、不同墊層厚度有限元計(jì)算后發(fā)現(xiàn)：“PCCP 管道各部分應(yīng)力與砂墊層壓實(shí)度、最大厚度有很重要的關(guān)系。砂墊層最大厚度一定時(shí)，PCCP 管道各部分應(yīng)力值隨著壓實(shí)度的增大而減小”。可見(jiàn)回填指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)有重要影響。

3 新疆某輸水管線工程回填指標(biāo)的確定

管溝回填區(qū)域一般分為墊層區(qū)、管身下部回填區(qū)、上部回填區(qū)及管頂500.00 mm以上回填區(qū)等分區(qū)。根據(jù)沿線土的性質(zhì)，細(xì)粒土采用壓實(shí)度回填指標(biāo)，則管頂500.00 mm以下各個(gè)分區(qū)按規(guī)范要求值≥90.00%的壓實(shí)度控制。對(duì)于砂礫料，壓實(shí)度已不在適用，需采用相對(duì)密度指標(biāo)控制。

采用開(kāi)挖沙礫料回填段，由于規(guī)范中沒(méi)有相對(duì)密度回填指標(biāo)明確規(guī)定，因此需參考相關(guān)規(guī)范進(jìn)行取值，工程案例中砂礫料回填指標(biāo)所參考主要規(guī)范見(jiàn)表1。

由表中不同規(guī)范對(duì)相對(duì)密度的最低要求可以看出，相對(duì)密度基本≥0.70。參考類似工程，結(jié)合工程案例建筑物級(jí)別(2級(jí))及地震烈度(Ⅷ度)，并考慮墊層區(qū)對(duì)PCCP管結(jié)構(gòu)的重要性，確定工程案例不同填筑區(qū)的相對(duì)密度，見(jiàn)圖2。

4 不同分區(qū)壓實(shí)問(wèn)題討論

墊層區(qū)中的腋角位置是形成管道土弧基礎(chǔ)上有效支撐的重要部位，在水平向產(chǎn)生約束和抑制作用，抑制管線轉(zhuǎn)角，有利于輸水管線的穩(wěn)定，有利于沿線管的使用狀態(tài)和使用壽命，其填筑指標(biāo)至關(guān)重要。

表1 管道砂礫料回填指標(biāo)參考規(guī)范表

圖2 溝埋式管道回填砂礫料相對(duì)密度指標(biāo)典型橫斷面圖

目前PCCP的使用量雖然很大，但大多情況下要求施工滿足設(shè)計(jì)要求是有難度的，尤其是其管道基礎(chǔ)腋角回填問(wèn)題，一直難以解決，致使現(xiàn)在使用的PCCP很多在超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)中。

對(duì)于腋角回填壓實(shí)指標(biāo)難度大問(wèn)題，建議從以下方面進(jìn)行控制：①虛鋪每層厚度≤200.00 mm，并通過(guò)試驗(yàn)段最終確定填筑料含水率、壓實(shí)機(jī)具、碾壓遍數(shù)等參數(shù)。②在管溝內(nèi)利用開(kāi)弧設(shè)備直接開(kāi)挖與支撐角相對(duì)應(yīng)的弧面，將管道安裝到弧面內(nèi)，解決腋角回填壓實(shí)難問(wèn)題。③有效支撐角范圍內(nèi)回填采用特制材料，如微膨脹材料、水泥土等。④發(fā)明特制工具對(duì)腋角區(qū)進(jìn)行振搗壓實(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

供水管道工程中，管道周圍回填料一般分為砂礫料(粗粒土)、細(xì)粒土，不同土料，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)砂礫料(粗粒土)中細(xì)粒土含量≤12.00%時(shí)，填筑料用相對(duì)密度控制，反之用壓實(shí)度控制。參考相關(guān)規(guī)范及類似工程，結(jié)合建筑物級(jí)別和地震烈度來(lái)確定砂礫料回填相對(duì)密度指標(biāo)，可供類似工程參考，建議相關(guān)規(guī)范中列出相對(duì)密度的最小控制指標(biāo)確定方法。為解決管道腋角壓實(shí)問(wèn)題，可從填筑料、施工工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)，保證承載土弧基礎(chǔ)對(duì)管道形成充分支撐，保障管道安全運(yùn)行。