大口徑輸水壓力管道水壓試驗(yàn)控制要點(diǎn)

吳 宏

(陜西省東莊水利樞紐工程建設(shè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽(yáng) 713208)

1 工程概況

某工程管道為DN1600 2.5 MPa/1.6MPa 內(nèi)自錨式球墨鑄鐵管，線路全長(zhǎng)1560.46 m;全線共設(shè)計(jì)鎮(zhèn)墩12 個(gè)，空氣閥井4 座，泄水閥井3 座，檢修閥井1 座。該段管線起點(diǎn)樁號(hào)BG0+000 設(shè)計(jì)水壓線標(biāo)高777.03 m，管道中線高程622.78 m;末點(diǎn)樁號(hào)BG1+560.46 設(shè)計(jì)水壓線標(biāo)高768.17 m，管道中心線高程761.50 m。水壓試驗(yàn)分兩段進(jìn)行，樁號(hào)分別為:BG0-014.01～BG0+703.104(泵站5#檢修閥井～3-1#檢修閥井段);BG0+703.104～BG1+560.46(3-1#檢修閥井～16#鎮(zhèn)墩段)。

本文以BG0+703.104～BG1+560.46(3-1#檢修閥井～16#鎮(zhèn)墩段)段水壓試驗(yàn)為例進(jìn)行分析計(jì)算。

2 水壓試驗(yàn)準(zhǔn)備工作控制要點(diǎn)

2.1 水壓試驗(yàn)條件檢查

管道水壓試驗(yàn)應(yīng)具備以下條件:①管道安裝檢查驗(yàn)收合格;②除管道接口外，其余管道兩側(cè)及管頂以上0.5 m 高度范圍回填完成;③試驗(yàn)管段所有敞口應(yīng)封閉，且不得有滲漏水現(xiàn)象(本工程因管線空氣閥、排水閥等不能及時(shí)進(jìn)場(chǎng)安裝，管道閥體位置均用盲板焊接封堵);④管道內(nèi)雜物清理完成;⑤管道鎮(zhèn)墩、閥井施工完畢，且混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度;⑥堵板、后背設(shè)計(jì)施工完成;⑦臨時(shí)排氣閥安裝完成。

2.2 試驗(yàn)壓力確定

2.2.1工作壓力計(jì)算

BG0+703.104 處管道中心線高程(h1):705.39 m，水壓線標(biāo)高(h2):772.94 m;BG1+560.46 處管道中心線高程(h1):761.50 m，水壓線標(biāo)高(h2):768.17 m。

工作壓力P=ρg，即:BG0+703.104 處管道工作壓力為:0.68 MPa;BG1+560.46 處管道工作壓力為:0.07 MPa。

2.2.2試驗(yàn)壓力計(jì)算

表1 壓力管道水壓試驗(yàn)的試驗(yàn)壓力 單位:MPa

BG0+703.104 處管道試驗(yàn)壓力為:0.68+0.5=1.18 MPa;BG1+560.46 處管道試驗(yàn)壓力為:0.07×2=0.14 MPa。

柏樹(shù)坬三級(jí)泵站至楊家山隧洞進(jìn)口段管道段工作壓力最大位置為BG0+014.09(管道中心線高程h1:617.76 m，水壓線標(biāo)高h(yuǎn)2:776.80 m)，其工作壓力值為:1.59 MPa;試驗(yàn)壓力為2.09 MPa。當(dāng)BG0+014.09 試驗(yàn)壓力達(dá)到2.09 MPa時(shí)，BG0+703.104 處管道壓力應(yīng)為:2.09-0.88=1.21 MPa;BG1+560.46 處管道壓力應(yīng)為:2.09-1.44=0.65 MPa。

考慮最不利情況，BG0+703.104 處管道試驗(yàn)壓力確定為:1.21 MPa;BG1+560.46 處管道試驗(yàn)壓力確定為:0.65 MPa。

2.3 堵板設(shè)計(jì)

管道水壓試驗(yàn)堵板形式主要有:嵌入式、法蘭式、焊接式以及橢圓封頭。本工程堵板設(shè)計(jì)在確保安全的前提下，合理采用堵板形式，以有效控制堵板厚度，最終堵板采用井字筋焊接式堵板，堵板鋼材采用Q235 B(B 類)，加強(qiáng)筋形式見(jiàn)圖1。

圖1 堵板加筋平面示意圖

2.3.1堵板厚度計(jì)算

參考《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》(HG/T 20582-2011)中帶加強(qiáng)筋圓形平板蓋設(shè)計(jì)和計(jì)算規(guī)定，堵板厚度計(jì)算公式如下:

式中: 為平板蓋厚度，mm;d為當(dāng)量圓直徑，mm，取300 mm;P為堵板承受壓力(試驗(yàn)壓力);[σ]t為堵板材料許用應(yīng)力，Q235 B 許用應(yīng)力113 MPa;C為厚度附加量，mm，為鋼板厚度負(fù)偏差(B 類取值0.3 mm)與腐蝕裕量(本項(xiàng)目暫不考慮)之和。

(1)隧洞進(jìn)口段BG0+703.104 處水壓試驗(yàn)堵板厚度計(jì)算如下:

(2)隧洞進(jìn)口段BG1+560.46 處水壓試驗(yàn)堵板厚度計(jì)算如下:

2.3.2堵板加強(qiáng)筋板計(jì)算

本工程筋板采用矩形截面，筋板采用Q235B 板材，其厚度與高度比為1∶5，加筋數(shù)量為10，筋板與平板蓋堵板之間采用雙面間斷的角縫焊接方式。假設(shè)作用于堵板上的荷載有筋板承受其一半時(shí)，筋板具體規(guī)格計(jì)算公式如下:

式中:1為加強(qiáng)筋板厚度，mm;W0為加強(qiáng)筋板抗彎截面模數(shù)。

式中:Di為與圓平板蓋相連接的道道內(nèi)直徑，mm，本工程取值1600 mm;p為堵板承受壓力，MPa;n為加強(qiáng)筋板數(shù)量，本工程取值10;[ ]t為堵板材料許用應(yīng)力，Q235 B 許用應(yīng)力113 MPa。

(1)隧洞進(jìn)口段BG0+703.104 處水壓試驗(yàn)堵板加強(qiáng)筋板厚度計(jì)算如下:故本工程此位置堵板加強(qiáng)筋板厚度取值為42 mm，高度210 mm。

(2)隧洞進(jìn)口段BG1+560.46 處水壓試驗(yàn)堵板加強(qiáng)筋板厚度計(jì)算如下:故本工程此位置堵板加強(qiáng)筋板厚度取值為34 mm，高度170 mm。

2.4 后背設(shè)計(jì)

1)隧洞進(jìn)口段BG0+703.104 位置以上游已安裝回填的管道段為靠背。靠背示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 靠背示意圖

參考《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 141-2002)和《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 142-2002)規(guī)范要求，已安裝回填管道單位長(zhǎng)度摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值公式為:

式中:Ffk為管道單位長(zhǎng)度摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m);s為鋼管管道與土壤間摩擦系數(shù)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定;當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料，可采用0.25～0.4，本項(xiàng)目取值0.25。γs為回填土重度(kN/m3)，本項(xiàng)目取值19 kN/m3;D1為管道外壁直徑(m) ，本項(xiàng)目取值1.64 m;Hs為管頂覆土厚度(m)，本工程平均覆土厚度為1m;γw為管道內(nèi)水重度(kN/m3)，本項(xiàng)目取值10 kN/m3;t0為管壁計(jì)算厚度，本項(xiàng)目取值20 mm。

隧洞進(jìn)口段中BG0+703.104～BG1+560.46 段水壓試驗(yàn)過(guò)程中已安裝回填(管頂以上50 cm)的管道BG0+000～BG0+703.104段并未充水，且BG0+536.20～BG0+703.104 段管道敷設(shè)方向一致(設(shè)計(jì)比降1%，摩擦力計(jì)算過(guò)程中忽略不計(jì))，則利用該段作為下游水壓試驗(yàn)后背的管道有效長(zhǎng)度為166.904 m 時(shí)，且不考慮管道內(nèi)水對(duì)摩擦力的影響。

水壓試驗(yàn)后背BG0+536.20～BG0+703.104 段管道摩擦力為:

水壓試驗(yàn)后背承受的推力為:F推=Fs=P r2=2431.62 kN式中:Fs為試壓管段管端承受的壓力，kN;P為試驗(yàn)壓力1.21 MPa;r為管道內(nèi)徑0.8 m。

經(jīng)過(guò)核算f≥1.5F推(埋地鋼管管道抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)取1.5)，即:4396.52 kN ≥3647.43 kN。

故:利用已安裝回填(管頂以上50 cm)的管道BG0+536.20～BG0+703.104 段作為BG0+703.104～BG1+560.46 段管道水壓試驗(yàn)BG0+703.104 樁號(hào)處后背方案可行。

2)隧洞進(jìn)口段BG1+560.46 位置以臨近鎮(zhèn)墩為靠背?？勘呈疽鈭D見(jiàn)圖3。

圖3 靠背示意圖

參考《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 142-2002)規(guī)范，當(dāng)采用重力式支墩抗推力時(shí)，支墩抗推力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為:

式中:Fk為支墩抗推力標(biāo)準(zhǔn)值，kN;Fpk為作用在支墩抗推力一側(cè)的被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值的合力，kN;Fep，k為作用在支墩迎推力一側(cè)的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值的合力，kN;Ffk為支墩底部滑動(dòng)平面上的摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m，F(xiàn)fk=ΣG×Fc。

隧洞進(jìn)口段中BG0+703.104～BG1+560.46 段水壓試驗(yàn)計(jì)劃16#鎮(zhèn)墩后背暫不進(jìn)行周邊回填，故在計(jì)算鎮(zhèn)墩抗推力時(shí)，不考慮主、被動(dòng)土壓力對(duì)抗推力的影響。

根據(jù)鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算，16#鎮(zhèn)墩C20 混凝土總量為547.92 m3，鋼筋總重4.5 t。經(jīng)簡(jiǎn)化后，水壓試驗(yàn)后背16#鎮(zhèn)墩抗推力公式為:

式中:ρ為混凝土密度，C20 混凝土密度取2400 kg/m3;V為鎮(zhèn)墩體積，m3，鎮(zhèn)墩體積為547.92 m3;m1為鋼筋重量，t，鎮(zhèn)墩鋼筋重量4500 kg;fc為鎮(zhèn)墩底部與砂礫石基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定，當(dāng)缺乏試驗(yàn)資料時(shí)，可按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)的規(guī)定確定，本工程取值0.4。

16#鎮(zhèn)墩抗推力為:Fk= (2400×547.92+4500)×10×0.4=5278.03 kN

水壓試驗(yàn)BG1+560.46 樁號(hào)位置后背應(yīng)承受的推力為:F推=Fs=P r2=1306.26 kN

經(jīng)過(guò)核算Fk>1.5F推(鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)取1.5)，即:5278.03 kN>1959.36 kN。故:利用臨近未進(jìn)行周邊回填的16# 鎮(zhèn)墩作為BG0+703.104～BG1+560.46 段管道水壓試驗(yàn)BG1+560.46 樁號(hào)處后背方案可行。

2.5 進(jìn)水管路排氣孔及排水孔的設(shè)計(jì)

1)管道注水應(yīng)從試壓管段相對(duì)較低處緩慢注入，因此進(jìn)水管設(shè)置在BG0+703.104 樁號(hào)處，進(jìn)水管采用DN100 無(wú)縫鋼管，可與試壓泵連接。

2)排氣孔應(yīng)設(shè)置在試壓管段上游管頂和管中段高點(diǎn)位置，該段排氣孔設(shè)置在3-7#空氣閥井和BG1+560.46 樁號(hào)處堵板位置，排氣孔由DN50 無(wú)縫鋼管加裝3.0 MPa 閥門(mén)制作而成。

3)管道試壓水排放優(yōu)先考慮分段自流排放，該段排水孔設(shè)置在該段管路3-3#泄水閥井和BG0+703.104 樁號(hào)處堵板位置，排水管采用DN100 無(wú)縫鋼管加裝3MPa DN100 球閥制作而成，以便于控制排水量。

2.6 設(shè)備選型

該段水壓試驗(yàn)加壓采用多級(jí)加壓泵，其型號(hào)為D25-30，功率為22 kW，注水量為25 m3/h;壓力表選用彈簧壓力計(jì)，精度為0.25 級(jí)，量程為4 MPa，滿足規(guī)范要求。

3 預(yù)試驗(yàn)階段

試驗(yàn)管段在注滿水后，在不大于工作壓力條件下，按規(guī)范要求進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間大于24 h，浸泡結(jié)束后，進(jìn)入預(yù)試驗(yàn)階段。預(yù)試驗(yàn)主要目的是在試驗(yàn)壓力下檢查管道接口、配件等位置有無(wú)漏水、損壞現(xiàn)象。預(yù)試驗(yàn)階段管道加壓采用分級(jí)加壓，根據(jù)壓力表規(guī)格型號(hào)，每級(jí)加壓值取0.2 MPa，每升壓一級(jí)穩(wěn)壓10 分鐘，檢查有管道無(wú)滲漏、損壞現(xiàn)象，后背、支墩、堵板有無(wú)異常;若在升壓過(guò)程中出現(xiàn)彈簧壓力計(jì)表針擺動(dòng)、不穩(wěn)，且升壓較慢時(shí)，應(yīng)采取排氣措施。試驗(yàn)管段水壓分級(jí)升至試驗(yàn)壓力穩(wěn)壓30 分鐘，期間如有壓力下降可注水補(bǔ)壓，但壓力不得高于試驗(yàn)壓力。

4 主試驗(yàn)階段

壓力管道水壓試驗(yàn)分為預(yù)試驗(yàn)和主試驗(yàn)階段，試驗(yàn)合格判定依據(jù)分為允許壓力降值和允許滲水量值。

當(dāng)選用允許壓力降值作為判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在試驗(yàn)管段預(yù)試驗(yàn)注水補(bǔ)壓結(jié)束，穩(wěn)定15 min;當(dāng)15 min 后壓力下降小于等于規(guī)范允許壓力降數(shù)值(允許壓力降數(shù)值見(jiàn)表2)，再將試驗(yàn)壓力將至工作壓力并保持恒壓30 min，進(jìn)行外觀檢查。

表2 壓力管道水壓實(shí)驗(yàn)的允許壓力降 單位:MPa

當(dāng)選用允許滲水量值作為判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在試驗(yàn)管段預(yù)試驗(yàn)壓力升至試驗(yàn)壓力后開(kāi)始計(jì)時(shí)，每當(dāng)壓力下降，應(yīng)及時(shí)向管道內(nèi)補(bǔ)水，但最大壓力降不得大于0.03 MPa，保持管道試驗(yàn)壓力恒定，恒壓延續(xù)時(shí)間不得少于2 h，并計(jì)量恒壓時(shí)間內(nèi)補(bǔ)入試驗(yàn)管段內(nèi)的水量。實(shí)際滲水量(W為恒壓時(shí)間內(nèi)補(bǔ)入管道的水量，T為從開(kāi)始計(jì)時(shí)至保持恒壓結(jié)束的時(shí)間，L為試驗(yàn)管道長(zhǎng)度)，經(jīng)計(jì)算實(shí)際滲水量應(yīng)小于等于允許滲水量。

表3 壓力管道水壓試驗(yàn)的允許滲水量

球墨鑄鐵管管道內(nèi)徑Di≥1400 時(shí)，管道水壓試驗(yàn)允許滲水量g=0.1Di，本工程球墨鑄鐵管管道內(nèi)徑Di=1600，即:允許滲水量q=4 L/(min·km)。

5 試驗(yàn)結(jié)果判定

壓力管道水壓試驗(yàn)合格判定依據(jù)分為允許壓力降值和允許滲水量值，若設(shè)計(jì)無(wú)要求時(shí)，可根據(jù)工程實(shí)際情況，選用其中一項(xiàng)指標(biāo)作為試驗(yàn)合格的最終判定依據(jù)。本工程選用允許壓力降值作為水壓試驗(yàn)合格判定指標(biāo)，經(jīng)試驗(yàn)BG0+703.104～BG1+560.46 段球墨鑄鐵管試驗(yàn)壓力降為0 MPa，小于允許壓力降值0.03，故該段管道水壓試驗(yàn)合格。