高覆土埋管減荷技術(shù)研究

李向東

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原030024）

“十二五”是我國全面建成小康社會(huì)的攻堅(jiān)時(shí)期，水利作為新形勢(shì)下我國優(yōu)先發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域，面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著政府對(duì)水利工程投入力度的不斷加大，越來越多的管線調(diào)水、引水工程開始建設(shè)，這些工程具有線路長(zhǎng)、管徑大、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。尤其是在我省多變的地形條件下，管線縱斷面起伏較多，管道覆土變化頻繁，增加了工程設(shè)計(jì)、施工難度和工程投資。本文結(jié)合山西禹門口提水東擴(kuò)工程和山西萬家寨引黃北干工程，從設(shè)計(jì)角度提出了管線局部地段高覆土解決方案。

1 管道土壓力計(jì)算理論

根據(jù)Marston土力學(xué)理論成果，作用于地下管道上的土荷載大小受管頂填土高度和埋設(shè)方式等因素影響?；靥罘绞酱_定了管道正上方土柱相對(duì)于周圍土體的位移方向和大小。按管道回填方式和土壓力不同，管道主要分為上埋式、溝埋式及減壓溝槽。

上埋式是先在原狀地面上構(gòu)筑管道，然后覆土夯實(shí)，常用于渠道、堤防及公路下方的管道；溝埋式是在埋管前先挖溝槽，然后布管、回填土料并分層夯實(shí)，多用于原狀土質(zhì)較好的地帶，視各種條件可開挖成直壁的矩形槽或放坡的梯形槽等；減壓溝槽是在溝埋式的基礎(chǔ)上，在管頂正上方虛填或者回填壓縮量較大的土體，利用管道正上方土柱與相對(duì)鄰近土體的位移產(chǎn)生的摩擦力或剪力抵消一部分的土重，以實(shí)現(xiàn)減壓的目的。在工程應(yīng)用中，溝埋式較為常見，減壓溝槽形式有利工程安全，本文進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

1.1 溝埋式

溝埋式是在被動(dòng)土和未擾動(dòng)土體中的較狹窄溝槽內(nèi)鋪設(shè)管道，并回填土至原地面。由于管道上方的回填土將向下沉降，產(chǎn)生滑動(dòng)面，假設(shè)這個(gè)滑動(dòng)面即為回填土與原狀土的分界面。這個(gè)滑動(dòng)面上存在著因相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，其方向與相對(duì)滑動(dòng)方向想反。因此，管道上部的豎向土壓力荷載，應(yīng)為回填土重力減因相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力。其土壓力計(jì)算公式可采用美國供水協(xié)會(huì)M9手冊(cè)計(jì)算，見下式及圖1。

圖1 溝埋式管道橫斷面圖

式中：Wd——溝槽回填荷載，kN/m；

Cd——溝槽荷載系數(shù)；

w——回填材料容重，kN/m3；

Bd——管道頂部溝槽寬度，m。

H——管頂以上填土厚度，m；

K——郎肯主動(dòng)土壓力系數(shù)

由計(jì)算公式知，管道承受的豎向土壓力與管頂處的溝槽寬度成正比。隨著溝槽寬度的增大，管道承受的豎向土壓力逐漸與上埋式相同。因此，針對(duì)埋深較大的管道，應(yīng)控制開挖溝槽寬度為滿足施工和安全要求的最小值。

1.2 減壓溝槽

根據(jù)溝埋式管道的受力分析，采用在管頂回填高壓縮性土體，利用因管頂土體相對(duì)向下滑動(dòng)的使周圍土體對(duì)其產(chǎn)生的向上的剪力或摩擦力，抵消一部分土體自重，形成減壓溝槽，實(shí)現(xiàn)降低管道豎向土壓力的目的。其土壓力計(jì)算公式可采用美國供水協(xié)會(huì)M9手冊(cè)計(jì)算，見下式。

式中：Wi——減壓溝槽回填荷載，kN/m；

Ci——溝槽荷載系數(shù)；

w——回填材料容重，kN/m3；

Bc——管道頂部溝槽寬度，m；

H——管頂以上填土厚度，m；

He——管頂以上等沉降面高度，m；

K——郎肯主動(dòng)土壓力系數(shù)。

由減壓溝槽鋪設(shè)的管道，管頂土壓力小于正常施工的管道。設(shè)計(jì)時(shí)，可在埋深較大地段設(shè)置，以保證工程安全和降低工程投資。

2 減壓溝槽的施工方法

我國管道管線工程，大部分采用梯形斷面，與上文中的溝埋式和減壓溝槽管橫斷面不同。為便于工程施工，保證施工安全，提高施工的連續(xù)性，減壓溝槽管段可采用與上下游管道相同的梯形開挖斷面，回填過程中保證壓實(shí)度。完成回填后，重新豎直挖除管頂正上方的土體，并以松散的可壓縮的材料松散的放入溝槽，如植物秸稈、鋸末、EPS材料等。橫斷面見圖2、圖3。

圖2 減壓溝槽管道橫斷面圖一

圖3 減壓溝槽管道橫斷面圖二

3 減壓溝槽有限元分析

采用MidasgTS有限元分析軟件，對(duì)減壓溝槽的管道土壓力進(jìn)行受力分析。計(jì)算實(shí)例采用我省完建的輸水工程，管徑2m，溝槽開挖寬度3.5m，管道埋深15m，開挖邊坡1:0.5。土體參數(shù)取值見表1。

表1 材料計(jì)算參數(shù)

采用以上信息，分別建立減壓溝槽模型和溝埋式管道模型，相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 材料計(jì)算參數(shù)

采用以上參數(shù)，分別建立減壓溝槽和溝埋式的有摩爾庫倫本構(gòu)模型[1]，進(jìn)行非線性分析，各部分土體和管道的應(yīng)力應(yīng)變情況見圖 4、圖 5、圖 6、圖 7。

圖4 減壓溝槽管道單元坐標(biāo)系Y方向彎矩

圖5 溝埋式管道單元坐標(biāo)系Y方向彎矩

圖6 減壓溝槽管道整體坐標(biāo)系Y方向塑性應(yīng)變

圖7 溝埋式管道整體坐標(biāo)系Y方向塑性應(yīng)變

兩種不同回填情況下，管道應(yīng)力結(jié)果見表3。

表3 管道應(yīng)力有限元分析結(jié)果 單位：kN/m2

由以上分析結(jié)果，可知管道在減壓溝槽條件下應(yīng)力應(yīng)變均小于溝埋式，尤其是管頂和管底的應(yīng)力減小較大，對(duì)高覆土管道的受力條件有了好的改善。

4 結(jié)語

通過采取減壓溝槽措施，可以有效地改善管道受力條件，提高管道安全性能。在工程中，對(duì)于局部距離較短高差較大的土梁等地形條件，或因測(cè)量誤差造成管道實(shí)際覆土大于設(shè)計(jì)覆土的情況下，可以采用減壓溝槽的施工方法，代替高覆土管道，從而降低工程投資、縮短工期，可以在工程實(shí)踐中進(jìn)行推廣。

[1]吳坤占.PCCP管道結(jié)構(gòu)有限元分析研究[D].西安:西安理工大學(xué)，2008；45-48