打壓管在輸水管道工程中分段水壓試驗的應用

張 巖

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概述

為實現(xiàn)水資源合理配置，長距離輸水管道工程越來越多，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。20世紀80年代末我國引進PCCP管的生產技術，經過多年的發(fā)展，國內PCCP管最大管徑已達4 m。

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)是以鋼筒混凝土為管芯，在混凝土管外纏繞環(huán)向預應力高強鋼絲，在鋼絲表面噴20 mm以上的砂漿保護層。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。具有鋼管抗?jié)B、抗拉的優(yōu)點，又具有混凝土管耐腐蝕、耐磨損和抗外壓的優(yōu)勢，使用壽命長，能承受較高的內壓和外壓荷載，管材的管件配套齊全、簡便、可靠。PCCP管體為剛性管，而接頭采用承插式，具有可撓性，整體上屬柔性設計，是較好的防震管材。

根據(jù)《預應力鋼筒混凝土管》(GB/T 19685—2017)，預應力鋼筒混凝土管的公稱內徑為DN400～DN4 000，管線運行工作壓力或靜水頭不超過2.0 MPa。目前國內PCCP管的最大工作壓力可做到2.0 MPa，國外PCCP管工作壓力最高可達4.1 MPa以上，最大管徑可達DN7 600，使用壽命可達50 a。由于PCCP管的生產線可遷移至施工現(xiàn)場，降低了運費，所以其綜合造價尤其在同等大口徑管材中經濟效果明顯，在長距離、大口徑輸水工程中已廣泛應用。

PCCP管安裝并經過接頭打壓合格后，為保證管道安全運行，還需進行管道分段水壓試驗[1-2]。

2 管道水壓試驗分段及后背堵板要求

2.1 規(guī)范中水壓試驗分段及后背堵板規(guī)定

PCCP管水壓試驗，目前所依據(jù)的規(guī)范有《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》(GB 50268—2008)《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范》(SL 702—2015)等。

在以上規(guī)范中，管道安裝完成，應進行管道功能性試驗，其中包括管道水壓進行試驗。管道水壓試驗的試驗長度除設計另有要求外，不宜大于1.0 km。對于無法分段試驗的管道，應由工程相關部門根據(jù)工程具體情況確定。在分段水壓試驗處設置后背[3]及堵板[4]以抵抗水壓試驗壓力。

2.2 工程中管道水壓試驗分段及后背堵板要求

由規(guī)范可以看出，管道安裝完成后應進行水壓試驗。通常在試驗管段兩端用堵板封閉管道，采用開挖基坑作為后背天然支撐面，在土體支撐面上設置鋼筋混凝土板作為千斤頂?shù)暮笞妫Ы镯斄硪欢隧敁卧诙掳迳希缘挚乖噳簳r傳遞過來的水壓力，同時保證水壓力通過堵板段均勻傳到后背。試驗過程中加強監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)后背墻有明顯被壓縮的跡象，將立刻停止水壓試驗，對后背進行加固或調整千斤頂?shù)纳炜s長度，確保管道在有效承插口范圍內不被拔出，以保證水壓試驗安全有效。待水壓試驗完成后拆除后背鋼筋混凝土板，再繼續(xù)后續(xù)安裝工作。

一般室外供水管道長度都較長，少則數(shù)十公里，多則幾百公里，并且分段長度有限，如果按照1 km分段水壓進行試驗，則管道將需不斷進行分段，且傳統(tǒng)水壓試驗采用后背支撐，嚴重影響施工的連續(xù)性及施工進度，有時還需在后背支撐工作面處增加合攏管，增加施工費用。

對長距離輸水管道安裝及分段水壓試驗，經過長期探索總結，考慮室外長距離供水管道長，分段長度除首段采用約1.0 km外，其余分段長度可不大于10.0 km，在分段水壓試驗困難情況下，水壓試驗分段長度可根據(jù)實際情況更長，甚至分段長度達20 km以上。分段長度增加，則將大大減少分段數(shù)量并可加快施工進度，降低費用。

對于分段處傳統(tǒng)采用后背及堵板，如分段水壓試驗采用后背及堵板，則嚴重影響施工進度。根據(jù)工程經驗并研究后，在分段打壓處可采用“打壓管”[5-7]替代后背及堵板。以已建成某PCCP輸水管道工程為列，該工程全長為90 km，全線采用重力流輸水方式，輸水管采用DN3 200的PCCP管，管道設計承壓值為0.6～1.2 MPa，管芯厚度為280 mm，單根管道有效長度為5 m。考慮該工程線路長，地形起伏較大，分段水壓試驗長度首段為800 m，其余段不大于10 km，分段多，分段水壓試驗采用“打壓管”方式進行。

安裝在PCCP管道中的“打壓管”通常按照1節(jié)標準PCCP管制作完成(打壓管示意見圖1，現(xiàn)場已安裝并進行充水的打壓管示意見圖2)，僅將材質由鋼筒混凝土調整為鋼材，有效長度為5 m，在打壓管中間設置雙向鋼制堵板，打壓管鋼材厚度、堵板厚度需經過計算確定，尤其是堵板鋼板一般較厚，并且需要增加隔板撐梁雙向加固。在堵板兩側設置進人孔，進人孔一般采用法蘭盲板[8]封堵。可兼做注水通道，待水壓試驗完成后，由進人孔進入，割除中間堵板并進行防腐處理完成后便可投入使用。本工程中的打壓管采用Q355C鋼，根據(jù)計算，打壓管管壁厚度為20 mm，中間堵板厚為34 mm，堵板上下游加強肋板厚為34 mm，高為350 mm，間排距為400 mm，可滿足水壓試驗承載力要求。堵板兩側進人孔考慮進人操作及減少費用等綜合因素，孔徑采用DN600。

圖2 已安裝并充水的打壓管示意

管道理想安裝狀態(tài)為連續(xù)安裝，將打壓管按照普通標準管進行連續(xù)安裝，即可加快進度，又可節(jié)省后背支撐費用，但在實際施工過程中會存在管道合攏問題。一方面，在管道安裝過程中，一般會存在不同工作面同時施工問題，兩個工作面在相向安裝過程中，必然存在合攏情況出現(xiàn)，在施工時可事先做好施工計劃，將合攏位置基本控制在平直段，可將合攏管與打壓管合二為一，起到兼顧合攏打壓作用。另一方面，施工過程中，存在鋼制管配件供應與安裝不匹配問題，當管溝開挖完成后，如管配件(如進排氣三通等鋼制管件)不能及時供應，或因管線上某些障礙物未及時完成拆遷，而現(xiàn)場工期要求又非常緊的情況下，均可造成局部跳過鋼制管件而繼續(xù)安裝標準PCCP管，造成不連續(xù)工作面。在跳開位置，一般PCCP管無法完成合攏連接，通常以3節(jié)鋼制管件焊接完成合攏，在跳開位置進行合攏如能與打壓管結合，將有利于降低費用加快施工。

2.3 打壓管后背支撐

打壓管后背支撐采用其后已連續(xù)安裝的PCCP管替代傳統(tǒng)的后背墻。采用打壓管打壓時，可省去后背墻等相關設施。圖2中的打壓管采用承插接口與相鄰PCCP管連接，打壓管后背采用已經安裝好的PCCP管做支撐，當完成水壓試驗后，將堵板拆除，封閉進人孔并防護后進行回填至設計高程，實現(xiàn)管道貫通。

打壓管作為水壓試驗的中間分割點，其抵抗水壓試驗的水壓力完全靠打壓管后已經安裝的PCCP管的支撐，PCCP管的支撐力依靠PCCP管與回填土體之間的摩擦力。摩擦力包括管道自重與土體摩擦力，周圍回填土壓力作用在管道上的摩擦力。根據(jù)《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范》(SL 702—2015)的要求，管道水壓試驗前，管道兩側及管頂以上回填高度不應小于0.5 m，工程實際中為增加土壓力的摩擦力，并考慮施工回填方便，往往直接回填至設計回填高程，回填覆土厚度一般不小于凍土層深度。

為能有效傳遞打壓管承擔的水壓力，打壓管應設在管道平直段上，從而保證在水壓推力作用下，軸向力沿管軸線方向傳遞，避免相鄰存在夾角的管道因受偏心力作用破壞承插口，進而破壞已安裝的管道。

為減少打壓管堵板承受的水壓力，盡可能將打壓管設置在相對較高位置，在相對較高位置處，打壓管承擔的相對水頭較低，在打壓管堵板面積一定情況下，將承受較小的推力，可減短其后直線段安裝的管道長度，較少受轉彎的影響，有利于在平面軸線及縱斷面軸線上靈活設置打壓管。

利用打壓管打壓時，維持其穩(wěn)定的是其后已經安裝好的未充水的PCCP管，有時在打壓完一側后，已經充水的一側管道中水可以不抽排重復利用而儲存在管道內，當充水打壓另一側時，已經打壓過未抽排水一側的管道因管道水重作用可增加一部分抗滑穩(wěn)定力，更有利于安全支撐。

依據(jù)《預應力鋼筒混凝土管道技術規(guī)范》(SL 702—2015)表6.5.3-2中管道與地基之間的摩擦系數(shù)f可知，根據(jù)管道周圍回填土性質取f=0.25，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)取2，根據(jù)打壓管所在位置處試驗水壓力、管頂覆土厚度為2.0 m，計算確定DN3200的打壓管后安裝并回填管道最小長度見表1。

表1 打壓管后管道最小安裝長度

在水壓試驗[9-12]過程中應對打壓管本身沿管軸線方向位移量進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)可能造成承插口密封失效的位移量，應立即停止水壓試驗，并進行妥善處理后方可繼續(xù)進行。

已安裝的PCCP管作為打壓管的后靠背，支撐管在設計給定的“安裝并回填管道最小長度范圍”內的PCCP接頭砂漿嵌縫必須確保密實飽滿并有足夠強度，以保證均勻可靠傳遞打壓管軸向推力。

本工程水壓試驗按照設計的水壓試驗技術及相應的平直段支撐長度進行水壓試驗，并在嚴密的監(jiān)測設備監(jiān)測下，打壓管未有位移變化，圓滿完成水壓試驗。

2.4 利用打壓管進行水壓試驗應注意的問題

1) 打壓管應設在管道平直段上且相對較高位置；

2) 確保管道周圍回填土壓實指標應滿足規(guī)范及設計要求；

3) 水壓試驗時應嚴格按照規(guī)范及設計要求緩慢升壓降壓；

4) 管道接頭填縫水泥砂漿強度應滿足水壓試驗抗壓強度要求，避免水壓試驗擠壓管縫時壓碎水泥砂漿，造成承插口脫落；

5) 打壓管進人孔應滿足進人及有利于大塊取出切割堵板的空間要求。

3 結語

本工程中利用“打壓管”對較大管徑的PCCP管成功完成水壓試驗，事實充分表明“打壓管”在長距離供水工程水壓試驗中是可以充分發(fā)揮作用的。“打壓管”的使用，有利于管道連續(xù)安裝、減少后背、加快施工進度，是值得供水工程水壓試驗廣泛應用的技術方案，可供類似管道工程參考。