高水壓作用下的球墨鑄鐵管道彎頭支撐設(shè)計

雷晗

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司 200092)

引言

球墨鑄鐵管具有強度高、韌性好、耐腐蝕性強等優(yōu)點,可承受的供水壓力高,因此在城市輸配水工程中得到了廣泛的應(yīng)用。球墨鑄鐵管道一般采用T 形柔性承插式接口,不僅便于施工安裝,同時可承受一定的非均勻沉降及變形,使管道運行的安全性得到了很大提高,但由于承插式接口無法傳遞拉力,通常需要在管道彎頭、三通及管堵處設(shè)置混凝土支墩,以防止內(nèi)水壓力產(chǎn)生的拉力導(dǎo)致接口脫離。

在內(nèi)水壓力作用下,由于球墨鑄鐵管節(jié)較短,管道與土體之間的摩擦力無法抵消彎頭處的外推力,而通過設(shè)置混凝土支墩,可以充分利用支墩后背的土壓力和支墩自重來平衡外推力。國標圖集《柔性接口給水管道支墩》(10S505)[1]中,根據(jù)土體特性、地下水位深度、內(nèi)水壓力等參數(shù)給出了各種形式的支墩尺寸,能夠滿足實際工程的需求。但在高水壓的作用下,按國標圖集選擇的支墩尺寸非常大,需要占用較大的空間,而現(xiàn)場實際條件往往會受到限制[2],尤其是在城市現(xiàn)狀道路中,地下管線眾多,管位緊張,設(shè)置支墩也具有很大的難度。

本文結(jié)合工程設(shè)計中遇到的難題,采用多種形式的支墩或接頭形式,以滿足球墨鑄鐵管道的安裝和運行需求。

1 傳統(tǒng)支墩設(shè)計

1.1 支墩穩(wěn)定性計算

以水平彎管支墩為例,如圖1 所示。管道在內(nèi)水壓力作用下,彎頭處受到的截面外推力為:

式中:D為管道接口設(shè)計內(nèi)徑,D=δd;δ為管道接口設(shè)計內(nèi)徑與管道內(nèi)徑的轉(zhuǎn)換系數(shù);d為管道內(nèi)徑;P為管道內(nèi)水壓力。

圖1 支墩平、剖面示意Fig.1 Plan and section of buttress

在設(shè)置支墩后,支墩需同時滿足抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性的要求:

式中:Fa、Fp分別為支墩的主動土壓力、被動土壓力;G為支墩的自重;Ff為支墩底部的摩擦力;a、b、c、d分別為各力的力矩;Ks為抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù),取Ks=1.5;Kf為抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù),取Kf=1.3。

國標圖集中支墩采用素混凝土,支墩底面為平面,后背擴散角為45°,支墩主要依靠后靠背的被動土壓力Fp來抵抗水壓外推力,而摩擦力Ff所起到的作用則相對較小,因此,增大后靠背的面積相比增大自重對支墩安全性更為有利。

1.2 傳統(tǒng)支墩優(yōu)化設(shè)計

為充分利用后靠背的被動土壓力,在支墩后背底部設(shè)置底坎,如圖2 所示,使支墩后靠背與土體的接觸面積加大,從而在僅增加小部分混凝土的基礎(chǔ)上使得支墩的穩(wěn)定性增強。由于底坎處的被動土壓力較大,其寬度需同時滿足抗剪和抗彎的強度要求,一般其底部寬度為200mm,高度H控制在200mm～1000mm。

圖2 優(yōu)化后的支墩構(gòu)造(單位： mm)Fig.2 Optimized buttress structure(unit: mm)

以DN1200 管道為例,管道頂部覆土厚度Hs=1.2m,地下水位0.5m,管道工作壓力Fwd=0.6MPa,設(shè)計內(nèi)水壓力Fwd,k=1.1MPa,支墩后靠背土體的等效內(nèi)摩擦角為?d=20°,底部摩擦系數(shù)f= 0.25,地基承載力特征值fak=100kPa。表1 為底坎高度不同時支墩混凝土方量的對比表,通過計算可知: 在彎頭角度11.25°時,底坎高度H為200mm 和500mm 時支墩體積相比無底坎時可分別減少約14.3%、23.3%的混凝土方量;在彎頭角度90°時,支墩體積減小量的百分比分別約4.2%、11.6%,即底坎高度越高,所節(jié)約的混凝土體積越大。由此可見,底坎的設(shè)置能有效地減小支墩體積,在水壓較低時,一般底坎高度不需設(shè)置太大,而在水壓較高時,方能體現(xiàn)出底坎的優(yōu)勢。

表1 支墩混凝土方量(m3)對比Tab.1 Volume (m3) comparison of buttess

2 新型支墩設(shè)計

給水管道敷設(shè)過程中,經(jīng)常不可避免地遇到支墩后靠背土體缺失的情況,如在邊坡、路堤上,或支墩體積太大而超過用地紅線,從而使得彎頭處支墩體積不可太大。在這種情況下,傳統(tǒng)型的支墩已經(jīng)無法使用,需因地制宜地設(shè)計新型支墩。

2.1 拉錨式支墩

拉錨式支墩是在彎頭內(nèi)側(cè)設(shè)置錨固支墩,水壓外推力主要靠錨固支墩承擔,因此位于彎頭處的支墩體積可大大減小。錨固支墩則可以根據(jù)周邊環(huán)境情況設(shè)置,這種方式廣泛應(yīng)用于基坑開挖過程中需進行改遷的管道。

烏魯木齊市衛(wèi)星路綜合管廊工程中,由于管廊基坑開挖導(dǎo)致周邊球墨鑄鐵管道需要進行改遷,在靠近基坑處新增22.5°水平彎頭。由于彎頭的后靠背被挖空,傳統(tǒng)形式的支墩安裝空間不足。因此將錨固支墩設(shè)置在遠離基坑側(cè),在彎頭處設(shè)置彎頭支墩。然后通過鋼筋混凝土拉梁將兩者互相拉結(jié),如圖3 所示,從而將彎頭所受到的水壓力傳遞至錨固支墩。需要注意的是,錨固支墩的后靠背需要土體提供支撐,若錨固支墩距離基坑過近,則設(shè)計時不能完全考慮后靠背被動土壓力,需進行部分折減,此時支墩自重起到的作用則需相應(yīng)提高。在工程實際中,鋼筋混凝土拉梁也可采用鋼拉索或拉桿代替,錨固支墩可先行施工,從而節(jié)約混凝土養(yǎng)護時間。

2.2 樁錨式支墩

拉錨式支墩的受力模式與傳統(tǒng)支墩相同,均需利用被動土壓力和支墩自重抵抗水壓外推力,故支墩尺寸也較大。在周邊環(huán)境不允許設(shè)置錨固支墩時,則可采用樁錨式支墩,如圖4 所示。樁錨式支墩通過樁基提供水平抗力,利用深層土體的側(cè)向約束抵抗水壓外推力,由于樁基的水平承載力一般較低,因此樁長和樁數(shù)較多,造價相對較高。

圖3 拉錨式支墩構(gòu)造Fig.3 Tension anchor buttress structure

圖4 樁錨式支墩平、剖面示意Fig.4 Section of pile anchor buttress

紹興北部區(qū)域供水管線工程中,DN1000 球墨鑄鐵管道彎頭轉(zhuǎn)角為45°,彎頭周邊空間狹窄,無法設(shè)置體積較大的支墩。因此在彎頭后靠背設(shè)置了5 根長12m 的?600 鋼管樁,并采用鋼筋混凝土包封形成整體。在工程實際中,錨樁也可采用鉆孔灌注樁、預(yù)制管樁或松木樁等。

3 不設(shè)支墩式接口

常規(guī)的球墨鑄鐵管道接口為T 形柔性接口,如圖5 所示,通過橡膠圈的擠壓形成密封,橡膠圈作為承口和插口之間的媒介,其主要作用僅為止水,而無法傳遞拉力。若能采用特殊的接口形式,使管節(jié)之間既能保持柔性連接,又具備剛性連接的特點[3],則可使接口處的拉力互相傳遞,并通過管道與周圍土體之間的摩阻力抵抗彎頭處的水壓外推力,從而可避免設(shè)置支墩。

3.1 TF自錨式接口

TF自錨式接口采用了T 形接口的密封結(jié)構(gòu),如圖6 所示。相比T 形接口,它增加了焊接在管道插口端的焊環(huán)、活動開口擋環(huán)、特殊壓蘭及連接螺栓等附件,使接口具有較好的抗拔脫能力。擋環(huán)和壓蘭之間可以滑動,使接口具有一定的軸向伸縮和偏轉(zhuǎn)能力。一般適用于管徑DN80～DN1200,可承受的最大水壓達2.5MPa。

圖5 T形接口構(gòu)造Fig.5 Joint type“T”

圖6 TF自錨式接口構(gòu)造Fig.6 Self-anchored joint type “TF”

3.2 X-anchor自錨式接口

X-anchor自錨式接口在承口內(nèi)設(shè)計了密封倉和擋塊倉兩個環(huán)形腔,如圖7 所示。擋塊倉內(nèi)安裝自錨組件,由前排擋塊、后排擋塊、支撐圈和插口焊環(huán)組成。其機理為利用前后兩排剛性擋塊提供可靠的防滑脫能力,同時前后排擋塊沿擋塊倉環(huán)向的滑動使接口具有較大的柔性。因此這種接口形式結(jié)構(gòu)更為簡單,安裝更方便,同時具有更大的軸向抗拔脫能力和柔性。一般適用于管徑DN1400～DN2000,可承受的最大水壓達2.5MPa。

圖7 X-anchor自錨式接口構(gòu)造Fig.7 X-anchor joint type

喀麥隆雅溫得市供水項目中,輸水管道直徑達DN1800。管線沿山區(qū)敷設(shè),彎頭數(shù)量多且角度大,混凝土支墩施工困難。因此在位于山區(qū)的管道全部采用X-anchor 自錨接口,現(xiàn)場實施效果良好。但由于該種接口的特殊性,采用自錨式接口的球墨鑄鐵管一般采用逐節(jié)安裝,若分段施工時需進行精確的放線方可確保合龍點準確。

3.3 鋸齒形橡膠圈

鋸齒形橡膠圈是在傳統(tǒng)的橢圓形橡膠圈端部嵌入了倒刺形的鋸齒,如圖8 所示。在管道安裝時,先將橡膠圈壓緊于承口內(nèi)側(cè),然后將插口插入承口。在橡膠圈擠緊的過程中,管節(jié)順鋸齒方向滑動,插口與鋸齒之間的作用力僅為滑動摩擦力,與普通橡膠圈無異,因此管節(jié)可順利插入。當插口有向外拔脫的趨勢時,鋸齒繞承口內(nèi)側(cè)的擋塊轉(zhuǎn)動,鋸齒上的倒刺與插口之間產(chǎn)生咬合力,從而防止接口處脫開。與自錨式接口相比,鋸齒形橡膠圈僅將橡膠圈端部改造為不銹鋼材質(zhì),管道承口和插口構(gòu)造均不做變動,安裝方法也與T 形接口相同,因此其成本較低。在管道合龍時,采用鋸齒形橡膠圈的球墨鑄鐵管可根據(jù)實際長度截管,因此其可采用分段施工作業(yè),施工速度快。鋸齒形橡膠圈的適用管徑為DN100～DN600,可承受的最大水壓達2.4MPa。

圖8 鋸齒形橡膠圈Fig.8 Jagged rubber ring

庫克島供水工程中,管道直徑為DN250,工作壓力為0.6MPa。在彎頭處采用鋸齒形橡膠圈,未設(shè)置混凝土支墩,如圖9 所示。在試驗壓力達到1.1MPa 時,管道保持穩(wěn)定。

圖9 采用鋸齒形橡膠圈的球墨鑄鐵管Fig.9 Ductile iron pipe of jagged rubber ring

4 結(jié)語

在高水壓的作用下,球墨鑄鐵管道彎頭處的支撐設(shè)計影響到全線管道的安全,傳統(tǒng)支墩一般尺寸較大,在現(xiàn)場實際條件受到限制時,可因地制宜地設(shè)計多種形式的支撐。

1.在支墩后背底部設(shè)置底坎,可增強支墩的穩(wěn)定性,減小支墩混凝土方量,底坎高度H一般控制在200mm～1000mm,底坎高度越高,所節(jié)約的混凝土方量越多。

2.拉錨式支墩和樁錨式支墩是在傳統(tǒng)支墩基礎(chǔ)上進行改進的新型支墩,分別依靠錨固支墩和錨樁抵抗水壓外推力,可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境情況設(shè)置。

3.球墨鑄鐵管道接口可采用TF自錨式接口、X-anchor自錨式接口或鋸齒形橡膠圈,使管節(jié)之間既能保持柔性連接,又具備剛性連接的特點,通過管道與周圍土體之間的摩阻力來抵抗彎頭處的水壓外推力,避免設(shè)置支墩。