懸吊式供水管道的設(shè)計(jì)

宋　濤，朱　琳，劉天政

山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院

懸吊式供水管道的設(shè)計(jì)

宋濤，朱琳，劉天政

山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院

本文論述了在巖石隧洞內(nèi)設(shè)置大口徑懸吊供水管道的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)其中的關(guān)鍵點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行了分析和探討。

隧道；管道；懸吊；錨桿

1.前言

在某水電站供水管道設(shè)計(jì)中，管內(nèi)徑D=1.6m的有壓供水管道需要穿越已有隧洞，該隧洞現(xiàn)為灌溉供水洞，斷面為倒梨形孔，正常非滿流過(guò)水。若將供水管道敷設(shè)在洞底，必然會(huì)抬高現(xiàn)有水位，也會(huì)對(duì)現(xiàn)有灌溉水流產(chǎn)生較大阻力，為了不影響現(xiàn)有灌溉用水?dāng)嗝?，?jì)劃利用梨形孔上部不過(guò)水空隙設(shè)置懸吊式供水管道。為了保證整體剛度和強(qiáng)度，懸吊管材采用壁厚為18mm的螺旋鋼管。

2.錨桿懸吊方案的靜力計(jì)算

該隧洞巖石為結(jié)構(gòu)密實(shí)、強(qiáng)度極高的花崗石，非常適合錨固，因此，擬采用在隧洞內(nèi)錨桿懸吊鋼管的敷設(shè)方案，進(jìn)一步計(jì)算確定錨桿的直徑、長(zhǎng)度和錨固體的直徑、長(zhǎng)度等參數(shù)，計(jì)算條件及結(jié)果如下：

①每根錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值Nt計(jì)算

計(jì)算條件：

輸水鋼管管徑為D=1.6m

每隔2米設(shè)1對(duì)錨桿

載荷分項(xiàng)系數(shù)1.3

計(jì)算結(jié)果：

長(zhǎng)度2米的管重、水重之和約為60kN，則每根錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值Nt=1.3×（60/2）=39kN。

②錨桿直徑d計(jì)算

計(jì)算條件：

錨桿工作條件系數(shù)0.7

工程結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1

使用年限50年

錨桿鋼材年銹蝕量0.04mm

計(jì)算結(jié)果：

d不小于16mm，為安全起見，選用d=25mm的螺紋鋼。

③錨固體與巖石間（花崗巖）的錨固長(zhǎng)度L1計(jì)算

計(jì)算條件：

錨固體與地層粘結(jié)工作條件系數(shù)1.0

錨固體直徑40mm

巖石與錨固體粘結(jié)強(qiáng)度特征值900kPa（注漿標(biāo)號(hào)M30）

計(jì)算結(jié)果：

L1不小于0.35m，安全起見，取L1=1.0m。

④錨固鋼筋與錨固砂漿間的錨固長(zhǎng)度L2計(jì)算

計(jì)算條件：

錨桿與砂漿粘結(jié)強(qiáng)度工作系數(shù)0.9

錨桿鋼筋直徑0.25mm

鋼筋與錨固砂漿粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值2400MPa

計(jì)算結(jié)果：

L2不小于0.25m，安全起見，取L2=1.0m。

3.錨桿懸吊鋼管的動(dòng)力影響因素分析

供水鋼管在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于各種原因而產(chǎn)生的管道振動(dòng)是經(jīng)常發(fā)生的，管道振動(dòng)原因分析如下：

①每段懸吊管道由于自身柔性而產(chǎn)生重力方向的撓度變形，并影響管內(nèi)介質(zhì)上下起伏和波動(dòng)。②管道內(nèi)部積有氣體或管道上的閥門操作速度太快，引起管道內(nèi)部介質(zhì)流速的急劇變化，形成水錘而造成管道振動(dòng)。③與管道連接的設(shè)備或泵工作不正常，泵出口壓力波動(dòng)過(guò)大。

以上動(dòng)力影響因素均可引發(fā)管道自身振動(dòng)，這種長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重削弱錨固性能，使錨固體或錨桿因產(chǎn)生松動(dòng)或脫落而失去固定和懸吊作用，嚴(yán)重影響管道長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性。

圖1　

4.加固措施

考慮到懸吊管道供水時(shí)可能會(huì)因自身振動(dòng)而造成錨固體或錨桿失穩(wěn)，因此有必要對(duì)管道采取可靠的加固措施，經(jīng)反復(fù)研究，認(rèn)為在懸吊管道下方增設(shè)托架和支腳可有效防范此類極端情況的發(fā)生。具體如下：

隧洞內(nèi)懸吊管道每隔2米設(shè)置1副托架，管道固定在托架上；洞壁兩側(cè)設(shè)支座，支座必須與支座錨筋焊接牢固，支座錨筋深300mm；支臂由螺栓定位后分別與托架和支座焊接牢固（詳見圖1）。

在管軸線方向，通過(guò)角鋼將相鄰支腳牢固地焊接為一體，進(jìn)一步增強(qiáng)了托架、支腳和管道之間的整體剛度和穩(wěn)定性。

該懸吊管道施工后經(jīng)過(guò)多年實(shí)際運(yùn)行從未發(fā)生過(guò)任何安全事故，驗(yàn)證了在結(jié)構(gòu)密實(shí)、強(qiáng)度極高的花崗石上通過(guò)該錨固方案進(jìn)行懸吊的供水管道在設(shè)計(jì)上是安全可靠的。

5.結(jié)論

采用懸吊式供水管道須考慮動(dòng)力影響因素，采取增設(shè)托架、支腳和焊連等加固措施后，可有效消除懸吊管道供水時(shí)因自身振動(dòng)造成錨固體或錨桿產(chǎn)生松動(dòng)或脫落的隱患，確保管道長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和可靠性。

［1］《抽水機(jī)與抽水站》，揚(yáng)州水利學(xué)校主編，水利出版社出版（北京德勝門外六鋪炕），1979年12月第一版，1982年10月新一版，第206～213頁(yè)，書號(hào)15047·4196

［2］《全國(guó)通用給水排水標(biāo)準(zhǔn)圖集》S3合訂本，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究所出版，1991年北京，第265～438頁(yè)

［3］《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，重慶市建設(shè)委員會(huì)主編，中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版（北京西郊百萬(wàn)莊），2002年6月第一版，第33～40頁(yè)，書號(hào)15112-10618

［4］《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三冊(cè)·城鎮(zhèn)給水·第二版，上海市政工程設(shè)計(jì)研究院主編，責(zé)任編輯魏秉華，中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版，2004.4第二版，第70～75頁(yè)，版號(hào)ISBN 7-112-04146-5

［5］《AWWA M9手冊(cè)》混凝土壓力管·第二版，美國(guó)供水工程協(xié)會(huì)主編，2000.8第二版，第9-1～9-5頁(yè)

宋濤（1968-），男，漢，山東省濟(jì)南人，工程師，學(xué)士，金屬結(jié)構(gòu)專業(yè)。