嚴(yán)寒地區(qū)不同材質(zhì)大型倒虹吸管道應(yīng)力分析及運(yùn)行安全性評價(jià)

李 新，謝曉勇，趙成先

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

三個(gè)泉倒虹吸是迄今為止亞洲最大的倒虹吸工程[1]，綜合難度系數(shù)49.28（水頭×管徑值×管長），工程全長約11km，雙管平行布置，具有超長、高應(yīng)力、大變形等工程特性，設(shè)計(jì)流量（單管）為15.25m3/s，加大設(shè)計(jì)流量（單管）為17.5m3/s。考慮工程安全、經(jīng)濟(jì)等因素，管段采用鋼管和PCCP管的組合方案：內(nèi)水壓力1.4MPa以上的管段采用直徑為2.7m鋼管，管段長3181m；1.4MPa以下（含1.4MPa）采用直徑為2.8m的PCCP管，管道長7385.27m。倒虹吸管道分別在鋼管段9+300和PCCP管段6+447各設(shè)置一個(gè)主監(jiān)測斷面[2～4]，用于監(jiān)測管道應(yīng)力和伸縮節(jié)伸縮變形，每個(gè)監(jiān)測斷面在左右管道各設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)，具體布置見圖1。

圖1 三個(gè)泉倒虹吸管道縱橫剖面監(jiān)測布置圖Fig．1 Three Spring inverted siphon pipe Longitudinal and cross-section monitor layout

圖2 小洼槽倒虹吸管道縱橫剖面監(jiān)測布置圖Fig．2 Xiaowacao inverted siphon pipe Longitudinal and cross-section monitor layout

小洼槽倒虹吸全長5136m，采用直徑3.1m玻璃鋼管，平行雙管布設(shè)，設(shè)計(jì)流量（單管）為15.25m3/s，加大設(shè)計(jì)流量（單管）為17.5m3/s，最大工作靜水壓力為0.46MPa。小洼槽倒虹吸管道在1+276和1+268斷面設(shè)置主監(jiān)測斷面[2]～[4]，監(jiān)測管道應(yīng)變、管道接頭變形，每個(gè)監(jiān)測斷面在左管道各設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)；并在1+286斷面設(shè)置管道徑向變形監(jiān)測、1+284斷面設(shè)置土壓力監(jiān)測、1+262和5+546.5設(shè)置接頭變形監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)，具體布置見圖2。

工程區(qū)地處北緯45°以上的嚴(yán)寒地區(qū)，冬季最低氣溫-41.7℃，夏季最高溫度40.6℃，晝夜溫差20℃左右，年際溫差高達(dá)82℃。晝夜溫差、陰陽面溫差和年際溫差大、干濕交替頻繁、凍融循環(huán)劇烈等不良?xì)夂蛱卣?，對管道的?yīng)力應(yīng)變調(diào)控提出了極高的要求。管基地質(zhì)條件較差，大多為第三系的膨脹泥巖和風(fēng)積沙，對管道的變形適應(yīng)能力也提出了極高的要求。

2 管道應(yīng)力分析

2.1 三個(gè)泉管道應(yīng)力分析

鋼管相關(guān)參數(shù)見表1。

2.1.1 倒虹吸鋼管管道應(yīng)力監(jiān)測成果

倒虹吸鋼管管道9+300監(jiān)測斷面各支鋼板計(jì)實(shí)測應(yīng)力自2005年通水運(yùn)行至2015年歷年年最大環(huán)向?qū)崪y應(yīng)力變化曲線見圖3和圖4。

根據(jù)實(shí)測應(yīng)力曲線分析，9+300監(jiān)測斷面管道在運(yùn)行前期年最大實(shí)測環(huán)向應(yīng)力變化和增幅較大，隨后最大實(shí)測環(huán)向應(yīng)力趨于穩(wěn)定，其中右管比左管應(yīng)力穩(wěn)定要快，與左管位于施工道路路邊，受干擾較大有關(guān)；因溫差影響，管道底部和左側(cè)管壁溫度大于頂部和右側(cè)，造成管道底部和左側(cè)環(huán)向應(yīng)力大于頂部和右側(cè)。

表1 鋼管物理力學(xué)性能設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Parameters of physical mechanical properties of steel tube

圖3 9+300斷面左管管道最大實(shí)測環(huán)向應(yīng)力變化曲線Fig．3 Hoop stress curve of the maximum practical measurement value of the left pipeline of the 9+300 section

圖4 9+300斷面右管管道最大實(shí)測環(huán)向應(yīng)力變化曲線Fig．4 Hoop stress curve of the maximum practical measurement value of the right pipeline of the 9+300 section

管道最大實(shí)測環(huán)向應(yīng)力為128MPa（GB2-2），鋼材屈服強(qiáng)度為235MPa（σs），鋼管膜應(yīng)力區(qū)基本允許應(yīng)力為129.25MPa（0.55σs），至2015年8月，累計(jì)最大實(shí)測環(huán)向應(yīng)力123MPa，都小于設(shè)計(jì)允許值（設(shè)計(jì)允許值已考慮安全裕度）。

2.1.2 荷載作用下的管道環(huán)向應(yīng)力計(jì)算分析

考慮管道在受內(nèi)水壓力、水重和溫度荷載下，管壁承受的環(huán)向應(yīng)力由式（1）～式（3）計(jì)算。

管壁環(huán)向應(yīng)力計(jì)算：

式中σθ1——內(nèi)水壓力作用下的管壁環(huán)向應(yīng)力；

σT——管壁環(huán)向溫度應(yīng)力。

內(nèi)水壓力作用下的管壁環(huán)向應(yīng)力[5]：

式中P——鋼管中心的壓強(qiáng)；

t——管壁厚度，t=26mm；

r——鋼管半徑，r=D/2=1350mm；

H——鋼管中心的水頭；

θ—— 計(jì)算點(diǎn)半徑與管中心鉛垂線的夾角，即θ=0°為管頂處，θ=90°為管水平軸線處，θ=180°為管底處；

a——管軸軸線與地面水平夾角，取a=30°。

管壁環(huán)向溫度應(yīng)力[6]：

式中α——鋼管的線膨脹系數(shù)，α=1.2×10-5/℃；

ΔT——鋼管工作溫度與安裝初始溫度的溫差；

E——鋼管的彈性模量，E=210GPa。

根據(jù)式（1）～式（3）計(jì)算得到與實(shí)測值對應(yīng)的環(huán)向應(yīng)力計(jì)算值，最大環(huán)向計(jì)算應(yīng)力值變化曲線見圖5和圖6。

圖5 9+300斷面左管管道最大計(jì)算環(huán)向應(yīng)力值變化曲線Fig．5 Hoop stress curve of the maximum computed value of the left pipeline of the 9+300 section

圖6 9+300斷面右管管道最大計(jì)算環(huán)向應(yīng)力值變化曲線Fig．6 Hoop stress curve of the maximum computed value of the right pipeline of the 9+300 section

計(jì)算應(yīng)力曲線與實(shí)測應(yīng)力曲線比較，應(yīng)力變化趨勢基本一致，說明實(shí)測值與計(jì)算值是可靠的，能反映管道實(shí)際應(yīng)力過程。管道運(yùn)行前期年最大計(jì)算環(huán)向應(yīng)力變化和增幅較大，隨后最大計(jì)算環(huán)向應(yīng)力趨于穩(wěn)定。因?qū)崪y值在數(shù)據(jù)采集過程中存在不確定性（儀器或采集系統(tǒng)等原因），計(jì)算應(yīng)力曲線較實(shí)測應(yīng)力曲線離散性小。

鋼板計(jì)GB3-2、GB7-2實(shí)測值與計(jì)算值接近；2013年 8月 前，鋼 板 計(jì) GB4-2、GB5-2、GB6-2、GB8-2實(shí)測值與計(jì)算值接近，以后兩值相差較大；2009年7月前，鋼板計(jì)GB1-2、GB2-2實(shí)測值與計(jì)算值接近，以后兩值相差較大。即在實(shí)測值出現(xiàn)明顯跳變（實(shí)測值不穩(wěn)定狀態(tài)）前，計(jì)算值與實(shí)測值接近，跳變后差值變大。歷年最大計(jì)算環(huán)向應(yīng)力值119MPa，至2015年8月，累計(jì)最大計(jì)算環(huán)向應(yīng)力86MPa，小于設(shè)計(jì)允許值。

2.2 小洼槽倒虹吸管道應(yīng)力分析

2.2.1 玻璃鋼倒虹吸管道應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測成果

倒虹吸管道1+276監(jiān)測斷面各支鋼板計(jì)實(shí)測應(yīng)變自2005年通水運(yùn)行至2016年歷年年最大環(huán)向和軸向應(yīng)變曲線見圖7和圖8。

圖7 1+275斷面左管管道年最大環(huán)向應(yīng)變曲線Fig．7 Hoop strain curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+275 section

圖8 1+275斷面左管管道年最大軸向應(yīng)變曲線Fig．8 Axial strain curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+275 sectio

1+276監(jiān)測斷面管道在運(yùn)行前期年最大應(yīng)變變幅較大，隨后最大應(yīng)變趨向穩(wěn)定；管道左右側(cè)面環(huán)向應(yīng)變較大，左側(cè)的應(yīng)變大于右側(cè)；管道軸向應(yīng)變是底部較小，軸向應(yīng)變小于環(huán)向應(yīng)變，更快趨于穩(wěn)定。2007年以前年最大環(huán)向應(yīng)變584με（GB2-2，管道左側(cè)），年最大軸向應(yīng)變153με（GB2-1）。2007年以后年最大應(yīng)變超過拉應(yīng)變量程1000με（GB3-2，管道右側(cè)），超量程后應(yīng)變值以1000με考慮（超過量程的數(shù)值失真），年最大軸向應(yīng)變 707με（GB2-1）。

2.2.2 玻璃鋼倒虹吸管道應(yīng)力計(jì)算分析

根據(jù)玻璃鋼倒虹吸管道實(shí)測的年最大環(huán)向應(yīng)變和對應(yīng)的軸向應(yīng)變，應(yīng)用式（4）和式（5）計(jì)算管壁環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。

玻璃鋼管道相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 DN3100玻璃鋼夾砂管物理力學(xué)性能設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Physical mechanical properties design parameters of DN3100 Glass Steel tube

求管壁環(huán)向和軸向應(yīng)力，根據(jù)彈性理論，應(yīng)用下列公式計(jì)算[7]：

式中εθ——管壁環(huán)向應(yīng)變；

εL——管壁軸向應(yīng)變。

圖9 1+275斷面左管管道年最大環(huán)向應(yīng)力曲線Fig．9 Hoop stress curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+275 section

根據(jù)以上參數(shù)和式（4）、式（5）計(jì)算得到玻璃鋼管道對應(yīng)的年最大環(huán)向應(yīng)力和年最大軸向應(yīng)力，再繪制應(yīng)力過程曲線，見圖9和圖10，1+276監(jiān)測斷面管道在運(yùn)行前期年最大應(yīng)力變幅較大，隨后管道應(yīng)力趨于穩(wěn)定；管道左右側(cè)的環(huán)向應(yīng)力較大，左側(cè)應(yīng)力大于右側(cè)。該監(jiān)測斷面左管管壁環(huán)向應(yīng)力最大值14.25MPa，環(huán)向拉伸最小安全系數(shù)為6.1（環(huán)向應(yīng)力/環(huán)向強(qiáng)度），管道已運(yùn)行11年，最小安全系數(shù)仍大于安裝設(shè)計(jì)要求（設(shè)計(jì)安全系數(shù)為6），管壁受力是安全的。

圖10 1+275斷面左管管道年最大軸向應(yīng)力曲線Fig．10 Axial stress curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+275 section

3 管道變形分析

3.1 三個(gè)泉管道變形分析

3.1.1 鋼管段9+300監(jiān)測斷面

自2005年通水運(yùn)行至2015年，9+300監(jiān)測斷面左右管道設(shè)置的伸縮節(jié)位移計(jì)測得的歷年年最大變形值，繪出最大變形曲線見圖11和圖12。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)表和曲線過程分析，9+300斷面伸縮節(jié)變形運(yùn)行初期變形較大，隨后很快趨于穩(wěn)定；伸縮節(jié)變形主要受溫度影響，與溫度負(fù)相關(guān)，在冬季最低氣溫期間年變形最大，在夏季最高氣溫期間年變形最小，管道通水后管道溫度較穩(wěn)定，伸縮節(jié)變形也最穩(wěn)定；同一伸縮節(jié)上下兩側(cè)變形差值較小，右側(cè)變形量大于左側(cè)，伸縮節(jié)向左偏轉(zhuǎn)，實(shí)測最大角變位4.8°，小于設(shè)計(jì)允許值（α≤5°）；歷年最大變形量左管為91mm（M9），右管為137mm（M15），至2016年1月伸縮節(jié)累計(jì)最大變形量89mm，年最大變幅約為最大變形量的50%左右，管道設(shè)計(jì)允許變形量150mm，實(shí)測最大變形量都小于設(shè)計(jì)允許值。

圖11 9+300斷面左管管道伸縮節(jié)年最大變形量曲線Fig．11 Deformation curve of the annual maximum value of the left pipe expansion joint of the 9+300 section

圖12 9+300斷面右管管道伸縮節(jié)年最大變形量曲線Fig．12 Deformation curve of the annual maximum value of the right pipe expansion joint of the 9+300 section

3.1.2 PCCP管與鋼管連接部6+447監(jiān)測斷面

6+447斷面伸縮節(jié)兩端分別連接PCCP管道與鋼管管道，伸縮節(jié)歷年年最大變形量：左管為3.9mm，右管為4.9mm，年最大變幅小于0.1mm，兩個(gè)管道伸縮節(jié)變形已經(jīng)穩(wěn)定。

3.2 小洼槽管道變形分析

3.2.1 管道整體徑向變形監(jiān)測成果

自2005年通水運(yùn)行至2016年，1+286監(jiān)測斷面管道左管整體徑向歷年年最大變形值，繪出最大變形曲線見圖13。

圖13 1+286斷面左管管道整體徑向年最大變形曲線Fig．13 Radial deformation curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+286 section

根據(jù)統(tǒng)計(jì)表和曲線過程分析，1+286斷面管道整體變形運(yùn)行初期較大，隨后較快趨于穩(wěn)定。根據(jù)管道徑向變形分布規(guī)律分析，管道底部和左側(cè)面向外變形，管道整體向左下側(cè)變形，與1+275斷面管道左側(cè)應(yīng)變和應(yīng)力較大情況吻合。

該斷面管道徑向變形率約為1%，變形較小，管道整體變形已經(jīng)穩(wěn)定。

3.2.2 管道接頭變形監(jiān)測成果

根據(jù)圖14和圖15變形曲線分析，1+286、1+262和5+546.5斷面管道接頭最大變形前期變幅較大，隨后趨于穩(wěn)定。1+268斷面接頭底部變形較大，說明接頭部位趨于下沉；1+262和5+546.5斷面接頭頂部變形較大，見管道接頭年最大變形曲線圖14和圖15，說明接頭兩端趨于下沉。接頭最大變形量為31mm，小于設(shè)計(jì)指標(biāo)（50mm）。

圖14 1+262斷面右管管道接頭年最大變形曲線Fig．14 Deformation curve of the annual maximum value of the right pipe expansion joint of the 1+262 section

圖15 5+546．5斷面右管管道接頭年最大變形曲線Fig．15 Deformation curve of the annual maximum value of the right pipe expansion joint of the 5+546．5 section

4 結(jié)束語

（1）本文基于實(shí)測值，對倒虹吸鋼管和玻璃鋼管兩種管材的管道進(jìn)行了應(yīng)力分析與計(jì)算，并將計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行了對比分析。三個(gè)泉倒虹吸鋼管歷年實(shí)測最大環(huán)向應(yīng)力128MPa，歷年最大計(jì)算環(huán)向應(yīng)力值91MPa，都小于設(shè)計(jì)允許值（129MPa），管道受力在正常范圍內(nèi)，實(shí)測和計(jì)算應(yīng)力都已趨于穩(wěn)定；小洼槽倒虹吸玻璃鋼管道環(huán)向和軸向應(yīng)變和應(yīng)力已趨于穩(wěn)定，最大環(huán)向應(yīng)變1000με，計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力14.25MPa，最小安全系數(shù)6.1，管壁受力是安全的。

（2）截至2016年1月，三個(gè)泉倒虹吸管道伸縮節(jié)累計(jì)最大變形量為89mm，歷年最大變形量137mm，都小于設(shè)計(jì)允許值（150mm）；伸縮節(jié)實(shí)測最大角變位4.8°，小于設(shè)計(jì)允許值（5°）；管道繞曲和偏位變形小，管道伸縮節(jié)變形已經(jīng)穩(wěn)定；小洼槽倒虹吸管道整體徑向變形穩(wěn)定，最大徑向變形率約為1%，向左下側(cè)變形，變形量較小，管道接頭最大變形31mm，小于設(shè)計(jì)指標(biāo)（50mm），接頭變形已穩(wěn)定。

（3）根據(jù)歷年監(jiān)測資料綜合分析，三個(gè)泉和小洼槽倒虹吸管道在嚴(yán)寒地區(qū)，并且晝夜溫差、陰陽面溫差和年際溫差大的不利條件下，仍能保持長年運(yùn)行狀態(tài)正常。

（4）三個(gè)泉鋼管伸縮節(jié)橫向變形（扭轉(zhuǎn)變形）較大，部分已接近設(shè)計(jì)指標(biāo)（5°），對個(gè)別變形較大的伸縮節(jié)部位的鋼管管身可通過人工干預(yù)復(fù)位。在實(shí)際運(yùn)行中對三個(gè)泉倒虹吸橫向變形較大的管道進(jìn)行了人工復(fù)位，效果較好，仍能長期保持復(fù)位后狀態(tài)。

[1] 石泉，張立德，李紅偉．大型倒虹吸工程設(shè)計(jì)與施工—大口徑、高壓力預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管與玻璃鋼管在倒虹吸工程中的應(yīng)用[M]．北京：中國水利水電出版社，2007．SHI Quan，ZHANG lide，LI Hongwei．Design and construction of large inverted siphon engineering—application of large diameter，high pressure prestressed steel tube and glass tube in inverted siphon engineering[M]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower press，2007．

[2] SL725—2016水利水電工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國水利水電出版社，2016．SL725—2016 Safety monitoring design specification for water conservancy and hydroelectric engineering[S]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press，2016．

[3] SL551—2012土石壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國水利水電出版社，2012．SL551—2012 Safety monitoring design specification for earth and rock dam[S]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press，2012．

[4] SL601—2013混凝土壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國水利水電出版社，2013．SL601—2013 Design specification for safety monitoring of concrete dam[S]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press，2013．

[5] SL281—2003水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國水利水電出版社，2003．SL281—2003 Design specification for pressure tube of hydropower station [S]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press，2003．

[6] 王翰章，王化云．管道熱應(yīng)力及熱補(bǔ)償[J]．林業(yè)科技情報(bào)，2004，4（1）．WANG Hanzhang，WANG Huayun．Piping thermal stress and thermal compensation[J]．Forestry Science and Technology Information，2004，4 （1）．

[7] 劉鴻文．材料力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2004．ZHANG Hongwen．Material mechanics[M]．Beijing: Higher Education Press，2004．