魏樓水庫PCCP引水管道水壓試驗問題探討

郝紅新

(江西贛禹工程建設有限公司，山西 南昌 330200)

0 引 言

根據相關規范的要求，當供引水管道工作壓力超出0.1MPa時必須采用水壓試驗法進行管道結構強度及密封嚴密性等的試驗，就試驗方法而言，應對1km長度以內試驗管段注滿水，并在不超出工作壓力的試驗條件下充分浸泡，管徑在1000mm以內時浸泡至少48h，管徑在1000mm以上時浸泡至少72h，再通過高壓泵向管道充壓；管道工作壓力在0.6MPa以下時試驗壓力應為工作壓力的1.5倍，當管道工作壓力在0.6MPa以上時，試驗壓力應為工作壓力+0.3MPa，恒壓10min后檢查管道結構強度。進行管道滲水量測定的嚴密性試驗耗水量大，對后背承載力有較高要求，還需要堵頭制作、后背加固、管道注水、沖壓等輔助性環節，無形中增大了管道水壓試驗成本，對于水資源匱乏的地區并不適用。為此，文章針對魏樓水庫PCCP引水管道管材實際情況進行了試驗方法的改進，僅進行管道接頭嚴密性試驗，既能保證管道驗收中水壓試驗順利進行，又能簡化試驗過程，降低試驗成本。

1 工程背景

魏樓水庫主要擔負著規劃年向菏澤市區主城區等區域164.66×104人提供生活飲用水、灌溉、防洪蓄水等任務。水庫永久性占地面積206.88hm2，總庫容1560×104m3。水庫主要包括圍壩、泵站、涵洞、輸水管道等水工建筑物。防洪設計標準為50a一遇，抗震設計烈度為Ⅷ度。水庫設計總庫容1560×104m3，死庫容215×104m3、調節庫容1345×104m3，入庫泵站流量為9.0m3/s，規劃年入庫水量6663×104m3，供水規模16.02×104m3/d，供水量5848×104m3/a等。魏樓水庫輸水管道主要采用直徑2000mm的預應力鋼筒混凝土(PCCP)管，PCCP管主要由預應力鋼絲、鋼筒、混凝土等復合材料所構成，預應力鋼絲環向纏繞在帶鋼筒混凝土管芯上，并在外部施噴水泥砂漿保護層，PCCP管節段之間通過帶承插口鋼環的柔性接頭銜接，接頭密封可靠性有保證。在管道工程施工結束后，采用管道水壓試驗對該水庫PCCP壓力輸水管道及所包含的各類管件、閥門件、鎮墩等水工建筑物設計方案的合理性、施工安裝質量的綜合檢查以及管道各建筑物在正常供水狀態下結構強度及水密性驗證。

2 水壓試驗準備

根據設計要求，魏樓水庫PCCP引水管道正常工作壓力0.8MPa，按照《給水排水管道工程施工及驗收規范》相關要求，工作壓力>0.1MPa必須進行管道水壓試驗，且試驗壓力應為1.3MPa[1]。根據魏樓水庫PCCP引水管道取水現狀、頂管標高，應用泵驗放氣原理并結合標段設計圖管道輔助設備及位置，在雙向水壓試驗區設置2個水壓試驗段，各試驗段又劃分為南線和北線，故共進行4次水壓試驗。第1泵驗段南北線長度分別為1346.24m和1344.03m，第2泵驗段南北線長度分別為886.7m和880.9m。

3 封頭和內悶板設計

3.1 封頭設計

魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗采用密閉性試驗形式，故應在試驗管道兩端設置封頭，具體包括橢圓形和內悶板2種形式。其中橢圓形封頭為單向形式，而內悶板為雙向，可供兩個試驗段同時使用。通過工期協調，四段水壓試驗段共設置3個橢圓形封頭和2個內悶板。

(1)

橢圓形封頭允許工作壓力最大值為：

(2)

式中：K為封頭凹面受壓時形狀系數；D1為封頭內直徑，mm，取3600mm；h1為封頭曲面深，mm，取900mm；[pω]為封頭允許工作壓力最大值，MPa，取2.124MPa；[σ]t為試驗溫度下封頭材料許用應力，MPa，根據規范取113MPa；φ為焊接接頭系數，根據規范，雙面焊對接接頭取1；δe為封頭厚度，mm，取34mm。

將相關參數取值帶入式(1)-(2)可以得出，魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗橢圓形封頭形狀系數K為1，允許工作壓力最大值為2.124MPa>1.3MPa，所以水庫PCCP引水管水壓試驗過程中所采用的橢圓形封頭完全可以承載試驗壓力。橢圓形封頭結構形式示意圖，見圖1。

圖1 橢圓形封頭結構形式示意圖

3.2 內悶板設計

內悶板結構形式，見圖2。以內悶板結構整體構建受力模型，并將其簡化為邊界固定型彈性薄板后進行受力情況分析，內悶板結構受力簡化模型，見圖3。

圖2 內悶板結構示意圖

圖3 內悶板結構受力簡化模型

將圓形內悶板所承受荷載簡化為均布荷載，并以中點荷載為平均荷載，即q0=1.3MPa。

3.3 拉壓應力及剪應力驗算

由于圓形內悶板中心為最大彎矩出現位置，根據彈性薄板理論，圓形內悶板單位寬度所承受的彎矩的計算公式為：

(3)

式中：r為封頭半徑，mm，取1800mm。

所以，對于剛入學的高一新生，用任命制選出的班干部往往存在一定的風險。除了任命前做好調查、觀察、儲備、造勢外，還應設定一個考核期，給普通同學、班干部多一個看清自己的機會，如此一來，才能選取出那些各方面素質都比較突出的學生組成班委。接下來的工作，當然還應對班干部的思想和工作流程不斷的進行培訓和鍛煉，幫助他們在班內樹立威信，提高他們的集體觀和工作能力。

則寬300mm的圓形內悶板所承受的彎矩為：0.3m*526500N=157950N·m。

最大拉應力為：

(4)

式中：Wzmax為圓形內悶板彎曲截面系數最大值，取2388.05×103mm3。則最大拉應力σmax1=66.14MPa≤[σ]-=205MPa。

最大壓應力為：

(5)

式中：Wzmin為圓形內悶板彎曲截面系數最小值，取1053.37×103mm3。則最大壓應力σmax2為149.947MPa≤[σ]+=205MPa。

圓形內悶板單位寬度所承受的最大剪應力按下式確定：

(6)

則寬300mm的圓形內悶板所承受的剪應力為：300*1170N/mm=351000N。

圓形內悶板截面任一點切應力按下式確定：

(7)

式中：τ為圓形內悶板截面任一點切應力；Sz為截面面積對中性軸的靜矩，mm3，取1025.8×103mm3；b為截面寬，mm；Iz為截面對中性軸的慣性矩，mm3，取32493.01×104mm3。

經計算得，圓形內悶板截面任一點切應力τ=32.59MPa≤[τ]=120MPa。

4 試驗控制及結果

4.1 試驗過程

根據設計，魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗分為預試驗和主試驗兩個階段。在預試驗階段，將管道內水壓緩慢升高至試驗壓力后穩壓1/2h，如果在穩壓過程中發生壓力下降，則應立即注水補壓，但不能超出設計試驗壓力，并檢查引水管道是否存在損壞、漏水等情況，若有則應立即停止試壓。在主試驗階段，應停止注水并補壓至設計值后穩壓1/4h，若此期間無壓力下降，則應將試壓壓力將至0.8MPa的工作壓力，保持恒壓1/2h后目測是否存在漏水等情況，若無，則水壓試驗合格。

水壓試驗所需設備包括1臺11.5kW七級離心泵，2inch閥門和輔助2inch進水管道，1inch閥門和1inch排氣管道，4塊精度至少1.5級、量程最大為2.5MPa、表盤直徑≥150mm的彈簧壓力表。水壓試驗排氣管設置在DN3600管向上的DN300喇叭排氣口處，雙泵驗表和放透氣閥門設置在封頭臨時人孔上。

魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗具體操作時，先在管道內注滿水浸泡至少24h，并安排技術人員觀察。待電氣設備、高壓泵、透氣閥門等均安裝無誤后將2inch管路及泵表管路閥門全部打開。透氣時通過控制放氣閥門排氣，待管道內所排出的水流不含氣泡且連續均勻后關閉放氣閥門。從0.1-1.3MPa劃分為六級并按照0.2MPa/級的要求升壓，并實時檢查管身及接口處，不存在異常后繼續升壓，直至試驗壓力后將前2個閥門關閉并保壓觀察。將1.3MPa的試驗壓力降至0MPa后保持1/4h，此后再將0.8MPa的試驗壓力降至0MPa后保持1/2h，則泵驗合格。開啟放氣閥門后卸壓為零，最后打開臨時人孔蓋板抽排水。

4.2 試驗中注意的問題

預試驗在結束管道進水后進行，由于進水加壓、排氣過程耗時較長，應按5-10min的時間間隔打開排氣閥放氣，直至所排出水柱穩定均勻且彈簧表指針穩定后結束。永久人孔、臨時人孔、排水管及排氣管等支管均采用法蘭、蓋板及5mm石棉橡膠板密封圈封閉，按照設計要求，閥門、伸縮節等附屬設施不進行壓水試驗。泵驗過程中如果存在連接件滲水等問題，必須立即停止泵驗，降壓后緊固或更換處理，無誤后再泵驗。

4.3 主水壓試驗結果

魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗過程中DN3600mm試驗段主水壓試驗結果，主水壓試驗結果匯總，見表1。該試驗段試驗過程耗水量9088.94m3，根據試驗結果，水壓試驗符合規范要求，施工質量有保證。

表1 主水壓試驗結果匯總

5 結 論

綜上所述，魏樓水庫PCCP引水管水壓試驗過程中，初次加壓前排氣環節控制至關重要，預試驗初次加壓時必須保證各排氣閥充分排氣，直至彈簧表指針恢復穩定狀態且排氣閥中所排出的水柱連續穩定為止。加壓過程中如遇連接件滲漏，則必須立即降壓至0MPa后進行滲水部位加固補強處理。考慮到引水管距離較長，為避免充水后發生管段下沉，對焊縫造成破壞性應力，應在管段下方增設支墩。文章分析為類似供引水工程長距離PCCP引水管道水壓試驗設計具有借鑒參考意義。