三個泉倒虹吸伸縮節變形分析

馬 芳 趙多明

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局 新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

新疆北疆供水工程總長513.34km，工程穿越荒漠、沙漠、綠洲平原極大的凹槽區域。供水工程全線穿最大的凹槽區域三個泉吉拉溝地槽段，吉拉溝地槽位于第三系砂巖泥巖地層的荒漠段與古爾班通古特沙漠的分界處，槽寬約12km，溝深約160m。穿越這個凹槽區域采用倒虹吸方案與兩側引水明渠連接，稱為三個泉倒虹吸。

三個泉倒虹吸工程全長10.927km(管線長10.566km)，最大靜水壓力為1.6MPa，允許的總水頭損失為28.60m。管道采用PCCP與鋼管的組合方案，設置倒虹吸管兩根，即1.4MPa以下（包括1.4MPa）采用預應力鋼筒混凝土管，單線管長為7386.27m，內徑為2.8m。1.4MPa以上采用鋼管，單線管長為3181m，內徑為2.7m。雙管設計流量30.5m3/s，加大流量35m3/s。

2 伸縮節設計原則

三個泉倒虹吸壓力鋼管直徑較大，工作壓力高，鎮支墩地基條件較差（處于巖石段和沙漠段交匯處，地基不均一，且地基承載能力低），年溫差和晝夜溫差很大，為滿足工程需要，伸縮節設計基本原則如下：

（1）要有足夠的軸向伸縮量，計算最大軸向伸縮量為96mm，設計最大伸縮量為150mm；

（2）為適應鋼管橫向變位和鎮支墩不均勻沉降，要允許有角變位不超過5°的撓曲度，要允許有不超50mm的徑向變位；

（3）要有良好的防漏措施；

（4）要便于安裝和拆換；

（5）要伸縮靈活和耐磨。

3 伸縮節形式

在三個泉倒虹吸鋼管段設有32×2套伸縮節，伸縮節有5°可繞角，為雙伸縮結構。按照本工程對伸縮節的要求，調查了國內外多種伸縮節的運用情況，最終選定了可撓式伸縮節，也稱為雙法蘭套筒式伸縮節。

伸縮節為上下游對稱式結構，外套管為一件，其余均為上下游各一件。伸縮節包括以下部件：連接短管、內套管、外套管、C型密封止水膠圈、止水擋環、O型止水膠圈、膠圈固定法蘭、限位螺桿。這種伸縮節的特點在于止水圈尺寸較小，內外套管之間基本上與周圍線接觸，且為雙套筒，所以能適應角變位和徑向變位的要求。在這些變位中，止水仍能正常工作。而一般的套筒式伸縮節，其止水盤根較長，盤根與內外套管之間為面接觸，盤根壓圈剛度又很大，所以，即使是雙向套筒式伸縮節也難以適應角度位和徑向變位。經工程實踐證實，三個泉倒虹吸明管采用這種新型的可撓式伸縮節是適宜的。止水環節過多，是這種伸縮節的一個缺點，C型止水效果較好，而四對法蘭上的O型止水效果有待實踐檢驗和改進。

4 變形分析

表1 三個泉倒虹吸伸縮節偏轉角統計表

自2006年正式通水運行以來，隨著通水時間的累計，2009年發現三個泉倒虹吸 2# 管線鋼管段 16#、22#、26#、27#、28#、29#、30#鎮墩處伸縮節變位異常，其中16#、26#、28#和 29#鎮墩處的伸縮節扭動變形較大，26#和29#鎮墩處的伸縮節變形最為嚴重，基本已接近設計單向極限偏轉角（5°），觀測數據詳見表1。一般情況下，左右向偏轉角度較大。從現場檢查，變形較大的伸縮節已被擋環擠壓，伸縮節變形受左右側擋環的限制，變形較大的伸縮節幾乎已無變形空間。

根據觀測數據和現場分析，伸縮節發生較大變形主要是管身發生左右方向的撓曲變形和偏向位移，豎直方向的變形不大。引起管身發生變形的原因主要有以下幾點。

4.1 環境溫度

環境溫度引起管道左右側管身溫度分布不均勻，管身一側受溫較高，管身發生撓曲，溫差越大，撓曲變形越大，引起伸縮節變形就越大。

4.2 制造和安裝質量

由于伸縮節的制作工藝較復雜，在本工程中是組配，未有統一單位生產組裝，伸縮節的個體差異相對較大；伸縮節在安裝時未充分考慮到溫度的控制，未避開溫度最高或最低時段。

在伸縮節的實際安裝過程中，發現伸縮節的外套管不在上下游兩個內套管的對稱位置上，而是偏在一邊，或者偏向上游，或者偏向下游。所偏的一邊，外套管已與內套管靠得很近。伸縮節安裝完成時，受限位螺桿限制，外套管是基本居中的，當限位螺桿拆除后，在以后的伸縮變位中，使其偏向一邊了，表明伸縮節外套管，在膨脹變位和收縮變位的交替變化中，它不能自如地返回到安裝完成時的位置上去。這說明上游和下游的內套管與外套管之間的滑動阻力是不均勻的，在伸縮（即推拉）過程中，外套管與內套管的變位也就不均勻，使外套管與內套管之間的相對變位只能朝一個方向，或主要朝一個方向發展。由此推測，外套管偏向一邊是不能回復的變位積累的結果。

如果人為將外套管調整至居中位置，在每天的循環變位中，很快又會偏向一邊。如果將內外套管阻力調為一致或接近，也是難以辦到的。在管軸坡度較平緩的情況下，若將伸縮節置于兩鎮墩中間，約可減少一半的軸向伸縮量，且伸縮節上下游內套管的伸縮狀況基本同步，似可改善上述問題。

4.3 左右側擋環擠壓

伸縮節較大扭動變形是管身發生較大撓曲和偏位的表現，可引起伸縮節的破壞，影響管道正常通水。但是更重要的是較大撓曲和偏位，改變了鋼管受力狀態，使管身處于不利的應力狀態中，惡化了管內水力條件。頻繁的溫度變化，特別是在非通水期，不僅引起管身撓曲變動，也引起管體應力的頻繁變化。部分伸縮節擋環的擠壓使伸縮節和管身處于不均衡受力狀態，對管身和伸縮節產生不利影響，長期運行對伸縮節會產生破壞作用。鋼管管道在這種狀態下長期運行，給工程安全帶來很大隱患。

經分析判斷認為：溫度變化和溫度分布不均勻是鋼管伸縮節在工程完成后產生變形和扭動的主要原因；支墩和鎮墩的不均勻沉降很小，不足以引起管道的扭曲和偏位變形；目前伸縮節變形已較大，實際變形能力未必能到達設計單向極限偏轉角5°的要求而不產生破壞。

針對以上情況，在2010年通水前對變位較大16#鎮墩處的伸縮節采取了用千斤頂將其復位，在鋼管一側的墊板上焊接擋塊，限制其變形的方法，據觀察效果較為明顯，在2010年通水過程中，此處伸縮節運行正常，伸縮節基本無變化。在伸縮節復位過程中，一定要注意避免破壞橡膠圈止水，同時應考慮到如果伸縮節變形不是很大，對工程運行未造成影響，盡量不采用設置擋塊，限制其變形。

5 結語

伸縮節變形在工程的運行過程中是不可避免的，應加強伸縮節的生產工藝控制、安裝過程控制，減小因人為因素造成伸縮節的變形，在工程的運行管理過程中應加強伸縮節變形的觀測，合理的運行調度，盡量降低伸縮節因溫度變化而影響其變形。同時，判斷出引起管身和伸縮節變形的主要原因,針對主要變形原因采取相應工程和管理措施,減少變形發展。比如采取遮陽措施、加固支墩、限制支墩沉降和變形、校正伸縮節、采取有利運行的維護和管理措施等等。陜西水利