萬家寨引黃工程聯(lián)接段輸水線路止推設(shè)計

萬家寨引黃工程聯(lián)接段輸水線路止推設(shè)計

1高精度流量控制閥室山西省萬家寨引黃工程是萬家寨引黃工程至太原的主航道。供水線路為139.35公里。輸水流量20.5m3/s它分為四個輸水區(qū)間，前三區(qū)間采用PCCP（長度43.2km、管內(nèi)徑3.0m）為壓力流輸水，第四區(qū)間為明流輸水。沿線設(shè)置了三座高精度流量調(diào)節(jié)閥室使各區(qū)間實現(xiàn)流量相等和壓力基本均衡。聯(lián)接段輸水系統(tǒng)中有8000多根PCCP管及幾百個異形管和配件，由于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，有2.25km管道穿過汾河主河道，10.25km管道敷設(shè)于古交市二級公路下，管道最大設(shè)計內(nèi)壓1.0MPa，管頂以上最大覆土8.0m，在大角度平面和豎向轉(zhuǎn)彎處推力最大的800t左右，所以止推設(shè)計是保證輸水線路安全運(yùn)行的重要設(shè)計部分，止推設(shè)計的合理正確不僅可以保證管線的正常運(yùn)行，同時對工程施工進(jìn)度及工程造價有著很大的影響。2采用在線向、中、細(xì)方向角度設(shè)定推力推力是一種發(fā)生在壓力管道方向改變處（如彎管、Y型管、T型管）、橫截面面積改變處（如漸縮管）或管路的終端（如堵頭）的不平衡力，另外對于在管道出現(xiàn)事故時檢修閥關(guān)閉時也會產(chǎn)生閥前閥后的不平衡力，這些不平衡力主要包括由于內(nèi)壓引起的靜水推力及由于流體動量改變引起的動水推力，一般情況下動水推力與靜水推力相比是非常小的，可以忽略不計，對于本工程在設(shè)計流量（Q=20.5m3/s）時管道中的流速約為3.0m/s，其動水推力相當(dāng)于0.46m水頭（4.6kPa）。推力大小主要與管道接頭處的內(nèi)水壓力及截面積有關(guān)，對于彎管還與轉(zhuǎn)角大小有關(guān)，其數(shù)值可用下式確定，推力示意圖如圖1。式中：P——內(nèi)水壓力（kPa);A——管道接頭處橫截面積（mm2);△——彎管轉(zhuǎn)角（°）。推力計算的關(guān)鍵是內(nèi)水壓力的確定，根據(jù)聯(lián)接段輸水系統(tǒng)的特點及美國關(guān)于PCCP設(shè)計的M9手冊中的規(guī)定，在管道的設(shè)計過程中，設(shè)計（正常工作）工況取最大靜水頭，校核（測試）工況考慮突然關(guān)閉減壓閥或沿線檢修蝶閥時產(chǎn)生的水錘壓力取管道的設(shè)計工壓加0.2MPa和最大靜水頭的1.2倍之間的較大值，其值相當(dāng)于實際水頭的1.4倍以上，同時為保證管道安全及使用壽命，對排（進(jìn)）氣閥的設(shè)置（數(shù)量、位置、型式）進(jìn)行了精心設(shè)計，并對第一區(qū)間的管道進(jìn)行了水工模型試驗，此外還采取了小流量充水、控制關(guān)閥時間等措施以減少水錘壓力。根據(jù)混凝土管管壁內(nèi)在的結(jié)構(gòu)及受力特性，混凝土壓力管道不會因負(fù)壓而發(fā)生破壞，對負(fù)壓未進(jìn)行專門研究，在設(shè)計中主要通過控制各進(jìn)口處的水位（高于管項2.0m），以避免在管道內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓。對于管道接頭處橫截面積，M9手冊中規(guī)定不太明確，考慮PCCP接頭結(jié)構(gòu)及軸向力的傳遞主要是靠鋼筒，設(shè)計中取鋼筒處的截面積。3配件的止推裝置對于止推力，方向與推力相反，大小相等且滿足規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)，在M9手冊中對安全系數(shù)并無明確規(guī)定，設(shè)計中按國內(nèi)規(guī)范抗滑穩(wěn)定的要求進(jìn)行了驗算，對于帶膠圈接頭的標(biāo)準(zhǔn)管及斜口管由于轉(zhuǎn)角引起的的推力可以靠管道自重或自重引起的摩擦力來承受，一般不需另外的止推措施，而對于配件，由于其推力比較大，在聯(lián)接段輸水線路中最大的止推力為800t左右，如果不采取措施，軸向力會拉開PC-CP柔性接頭，造成漏水或更大的事故，所以對于配件本身，可以靠兩種途徑來抵抗推力，一是靠配件自重、水重、覆土重或其引起的摩擦力，二是配件周圍的土體的被動抵抗力，而當(dāng)這些止推力不足以平衡推力時，則必須增設(shè)止推裝置，在國內(nèi)通常的作法是設(shè)鎮(zhèn)墩，對于聯(lián)接段是長距離、大流量、高水頭的管道，且由于地形條件的限制線路水平轉(zhuǎn)彎有120多處，超過10°的豎向轉(zhuǎn)彎也有80多處，采用傳統(tǒng)的增設(shè)鎮(zhèn)墩做法一方面會增加投資另一方面也會對工期造成影響，且在一些轉(zhuǎn)彎處還會受到地形、地下管線、地上建筑物的限制，不具備設(shè)置鎮(zhèn)墩的條件，在設(shè)計過程中主要采取了以下幾種止推裝置，一是采用限制接頭（鎧裝接頭或焊接接頭），二是增設(shè)止推墩，三是采用聯(lián)合止推型式，下面對這三種止推方式分別加以介紹。3.1限制接頭止推力法1）限制接頭就是將與配件相鄰的管道鋼性聯(lián)接在一起，根據(jù)以往工程經(jīng)驗，限制接頭主要有焊接式和機(jī)械式，其中焊接式分外焊式和內(nèi)焊式兩種，在實施過程中一個最大缺點是會加大現(xiàn)場工作量，且有可能燒壞膠圈；機(jī)械式有螺栓式聯(lián)接和卡環(huán)式聯(lián)接，在本工程中僅在現(xiàn)場閉合點采用焊接其它主要是卡環(huán)式聯(lián)接，也就是將常規(guī)PCCP的承口和插口加工成特制的聯(lián)接，鋼筒厚度根據(jù)軸向力的大小采用1.5mm～3.0mm。2）限制接頭止推方式就是將相鄰管道的接頭固定在一起的方法來抵抗配件處的推力。采用這種方法連接的管道稱作限制管道，接頭稱作限制接頭。這種方法可在配件每一側(cè)將數(shù)個接頭限制在一起，從而增大了限制管道的摩擦力以抵抗推力。受力分析如圖2所示。T=fL·（Wp+Ww+2We)式中：f——摩擦系數(shù);L——一側(cè)限制長度，（m);Wp——管重，（kPa/m);Ww——管中水重，（kPa/m);We——上覆土荷載，（kPa/m）。限制接頭止推方式是通過將配件與上下游管道連接起來，對于豎向彎頭利用限制長度范圍內(nèi)的管重、水重、覆土重的分力來平衡配件處向上的推力，而對于水平彎管是利用限制長度范圍內(nèi)的管重、水重、覆土重的產(chǎn)生的摩擦力來抵抗配件處的止推力，對于水平彎管其限制長度的確定，根據(jù)埋管的測試結(jié)果表明，管道周圍回填土密實（回填壓實達(dá)到85%標(biāo)準(zhǔn)葡氏數(shù)）時，其摩擦阻力約增加兩倍，其一側(cè)限制長度可按下式計算確定，其計算簡圖如圖3。3.2關(guān)于管道段摩阻系數(shù)的選取止推墩的設(shè)置一方面同傳統(tǒng)意義的鎮(zhèn)墩作用相同，即可以增加配件處的自重、上覆土重量，從而可以增加摩擦力，摩擦系數(shù)的選擇根據(jù)土壤類型和管道外壁的糙率來確定，通常取值范圍為0.25～0.5，在本工程設(shè)計中取0.3，需要說明的是在對于管道段摩阻系數(shù)的選取還應(yīng)對墊層設(shè)置（包括厚度、材料及包角等）、填土設(shè)計（包括回填土種類、壓實度、上覆土厚度及拱腹壓力的選取等）、地下水位變化等方面進(jìn)行認(rèn)真的研究。對于豎向彎頭的下彎頭及水平彎頭可通過加大支撐面積，以增加配件的抗側(cè)移能力，對于止推墩的尺寸可根據(jù)土體的承載能力進(jìn)行確定，由于止推墩一般比較龐大，強(qiáng)度方面要求不是很高，為降低工程造價可采用低標(biāo)號的混凝土或拋石混凝土，但應(yīng)控制好石料的大小和總拋石量。對于土體的承載力在設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際土體地質(zhì)資料的抗剪力確定，有條件的工程可進(jìn)行現(xiàn)場實驗，對止推墩后的受力土體盡量采用原狀土，對擾動過的土體應(yīng)進(jìn)行夯實或進(jìn)行其它加固措施，此外在設(shè)計中應(yīng)盡可能保證推力盡量通過承載區(qū)的形心，否則需校核其穩(wěn)定性。3.3傳承施工中的聯(lián)合止推方式根據(jù)國外工程實踐經(jīng)驗，為了加快施工進(jìn)度，減少混凝土的工程量，在聯(lián)接段的技施設(shè)計階段將原混凝土鎮(zhèn)墩全部取消，改為采用PCCP鎧裝接頭連接管道，達(dá)到止推的要求。根據(jù)鎧裝接頭試驗結(jié)果，采用鎧裝接頭止推完全可以達(dá)到設(shè)計要求，但由于鎧裝接頭止推施工進(jìn)度慢、厚鋼板鋼筒加工時間較長、使得鎧裝接頭管的制作不能滿足施工進(jìn)度的要求，但全部改為止推墩會加大現(xiàn)場工作量且在有些地段還會受現(xiàn)場地形條件的限制，在設(shè)計中對于一些止推力特別大（需用鋼筒厚度大于3.0mm）及場地條件限制的地段采取了聯(lián)合止推方式，也就是限制性接頭與止推墩止推相結(jié)合，但由于限制接頭和土體的變形模量相差太遠(yuǎn)，再加之聯(lián)合止推方式的在國內(nèi)外還是首次使用，為確保工程安全的條件下完成工程進(jìn)度，在設(shè)計中根據(jù)止推計算，PCCP鎧裝管的鋼筒厚度大于3mm的部分，采用混凝土止推墩止推，混凝土止推墩的止推力不小于總止推力的50%，且保證鎧裝接頭可承受工作壓力的推力。4ccp輸水管線止推設(shè)計效果聯(lián)接段PCCP安裝工