輸水管道埋深設(shè)計要點淺析

劉應(yīng)忠，汪賓舟，陳佐豪

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

輸水管道設(shè)計中，合理的管道埋深對管道運行安全尤為重要。當(dāng)管道穿越耕地時，若埋深不足，在后期農(nóng)耕時相關(guān)農(nóng)耕器械會對管道造成破壞，或者因埋深不足而發(fā)生浮管現(xiàn)象,當(dāng)管道埋深過大時，管道外部覆土等荷載過大導(dǎo)致管道變形超限而發(fā)生破壞。地下埋管管道破壞后檢修不便，若為有壓輸水管道，則還可能會造成爆管等現(xiàn)象，后果較為嚴(yán)重。因此，在管線征地為臨時征地的輸水管道進行布置時，選擇合理埋深很是關(guān)鍵，在無其他工程措施情況下，應(yīng)保證管道埋深在允許范圍內(nèi)，既滿足最小埋深要求，也不超過允許最大埋深。

然而，在輸水管道設(shè)計中，若嚴(yán)格按照常規(guī)條件下管道本身所能承受的管道埋深進行設(shè)計，則不可避免在起伏較多的山區(qū)地帶，需要更長的管道，更多的彎頭，更多的泄水閥和空氣閥等。因而，在保證安全的前提下，經(jīng)濟因素則是需要著重考慮的。

文章以惠水縣平寨水庫輸水管道工程為例，綜合考慮安全與經(jīng)濟因素，對不同管徑最大管道埋深進行計算，為管道的沿線布置提供依據(jù)。同時，在局部起伏較多的山區(qū)地帶，對嚴(yán)格按照計算埋深布置管線和采取工程措施2種方案進行比選，選擇更為安全經(jīng)濟的方案。

1 工程概況

惠水縣平寨水庫工程是綜合利用的水利工程，作為壩王河流域規(guī)劃的龍頭水庫，主要建設(shè)任務(wù)為供水、灌溉，兼顧發(fā)電，無防洪任務(wù)。平寨水庫總庫容7 940萬m3，年供水量7 822.90萬m3，灌溉面積9 113.33 hm2，根據(jù)供水對象重要性及輸水流量，輸水線路干管及建筑物按4級建筑物設(shè)計，支管及建筑物按5級建筑物設(shè)計。

輸水管道工程主要包括干管、抵季支管、邊陽支管和克度支管，管徑DN900～DN2400，管節(jié)標(biāo)準(zhǔn)長度6 m，設(shè)計流量1.05～7.67 m3/s，總長52.52 km，其中干管(不包括隧洞部分)15.62 km、抵季支管4.40 km、邊陽支管26.38 km、克度支管6.12 km。干管管徑DN2400和DN2200，抵季支管管徑DN900，邊陽支管管徑DN1600、DN1400和DN1200，克度支管管徑DN1200和DN1000，管材均為離心球墨鑄鐵管，除干管7+590 m—干管7+763 m、干管8+227 m—干管9+891 m和干管13+258 m—干管14+911 m管件壓力等級為K9級外，其余管段管件壓力等級均為K8級。

2 管道埋深計算分析

2.1 計算理論與方法

輸水管道允許最大埋深以管道徑向變形率應(yīng)不大于最大允許徑向變形率作為控制條件進行計算：

管道徑向變形率計算公式:

(1)

式(1)中：Δ—管道的徑向變形率，%；Kx—變形系數(shù)；∑P—作用在管道上的豎向荷載，包括回填土荷載、地面堆積荷載(缺乏資料時可取為0.01 MPa)、車輛荷載，MPa；E′—管側(cè)回填土的反作用模量，MPa；S—管的徑向剛度，MPa。

管的徑向剛度計算公式:

(2)

(3)

式(2)、(3)中：S—管的徑向剛度，MPa；E—管的彈性模量，MPa；DE—插口外徑，mm；enom—公稱壁厚，mm；emin—最小壁厚，mm；em—計算壁厚，mm。

回填土荷載計算公式:

P1=0.001γH

(4)

式(4)中：P1—回填土荷載，MPa；γ—回填土重度，kN/m3；H—從管道頂部到設(shè)計地面的距離，m。

車輛荷載計算公式:

(5)

式(5)中：P2—車輛荷載，MPa；β—交通荷載系數(shù)；DN—管徑，mm；H—從管道頂部到設(shè)計地面的距離，m。

2.2 參數(shù)選擇和統(tǒng)計

根據(jù)管側(cè)回填土壓實度要求，輸水管道管溝類型均為Ⅱ類。輸水管道管徑類型共有9種，回填土類型為A、B、C、D類。參數(shù)選擇和統(tǒng)計結(jié)果匯總?cè)缦?，見?和表2。

表1 徑向剛度和最大允許徑向變形率表

表2 管側(cè)回填土的反作用模量表

2.3 計算結(jié)果分析

根據(jù)輸水管道管徑類型、管溝類型和回填土類型，將輸水管道允許最大埋深計算成果進行匯總分析，見表3。

通過對表3計算成果進行分析，輸水管道允許最大埋深與回填土類型、管徑、管道壓力等級、管溝類型相關(guān)。在同一回填土類型情況下，輸水管道允許最大埋深與管徑呈負相關(guān)，隨之減小而逐漸增大，即管徑越小，所能承受的允許最大埋深越大。在同一管徑情況下，A類回填土對應(yīng)的管道所能承受的允許最大埋深最大，從A類到D類依次減小。另外，DN2400和DN2200均含k8和k9兩種壓力等級，在同一管徑情況下，壓力等級越高，所能承受的允許最大埋深越大。

表3 輸水管道允許最大埋深成果匯總表

該輸水管道工程管線征地為臨時征地，故管道鋪設(shè)為埋管，管道埋深覆土厚度≥0.70 m，穿越農(nóng)田耕地時，應(yīng)≥1 m。故在常規(guī)條件下(不采用工程措施)，除了埋深應(yīng)小于允許最大埋深以外，還應(yīng)滿足最小埋深要求，以免管道因埋深不足或埋深過大而發(fā)生破壞。

3 埋深比選

在布置管道時，對于地形連續(xù)起伏的地區(qū)，根據(jù)管道布置情況適當(dāng)下挖使管道剖面布置盡可能平直，以此減少管道、彎頭、泄水閥和空氣閥等工程量。管槽下挖帶來的問題是最大埋深可能會超過允許最大埋深，對于這一問題的解決方案為采用混凝土包管的工程措施進行處理。采用混凝土進行包管一是增加了混凝土工程量，二是因為下挖增加了土石方開挖量，故設(shè)計時需要進行比較分析，判斷何種方案更為安全經(jīng)濟。文章選取該輸水管道工程的干管4+583.50 m-干管4+693.54 m段進行分析，采用的混凝土包管具體工程措施為：C20混凝土進行包管，包管范圍為管槽基礎(chǔ)到管頂30 cm以下部分。管溝開挖邊坡坡比：土質(zhì)邊坡為1∶0.75，巖質(zhì)邊坡為1∶0.50；管溝底寬為3.40 m。表4為輸水管道干管4+583.50m-干管4+693.54 m段2種方案的工程量匯總表，圖1和圖2為該管段2種方案的管道剖面布置圖。從表4、圖1和圖2可知，該管段采用C20混凝土包管的方案土石方開挖量增加，也額外增加了C20混凝土工程量，但減少了一個鎮(zhèn)墩，DN2400球墨鑄鐵管減少1 m，減少2個彎頭，減少一個DN500泄水閥、一個DN250空氣閥以及相應(yīng)的閥室，具體2種方案的工程量及投資對比見表4。經(jīng)比較，該管段采用C20混凝土包管布置節(jié)省投資8.81萬元，更為經(jīng)濟，選擇此方案。

表4 埋深比選工程量及投資匯總表

圖1 按允許最大埋深布置形式圖

圖2 對管道進行包管布置形式圖

4 結(jié)語

通過對輸水管道埋深進行設(shè)計，有以下幾點思考，以期為類似工程提供借鑒：①對于管道鋪設(shè)為埋管的輸水管道工程，管道最小埋深應(yīng)滿足要求，以免因埋深不足而出現(xiàn)浮管或管道被農(nóng)耕器械破壞。在較為平坦或不宜深挖深埋的地區(qū)，管道最大埋深應(yīng)小于允許最大埋深，以免管道變形超限而發(fā)生破壞。另外，在條件允許情況下，管道回填土的土壤類型盡可能選擇A類和B類土壤，且管道回填土壓實度應(yīng)嚴(yán)格滿足要求，以此保證管道允許最大埋深為較大值。②對于因下挖造成的管道埋深大于允許最大埋深的情況，可采用合理的工程措施如混凝土包管進行處理，并作方案比選，選擇更為安全經(jīng)濟的方案。