淺析影響地下管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的因素

賀彩麗

[摘要]：介紹了埋地管道設(shè)計(jì)工作中要注意的制約因素。并詳細(xì)闡述了這些制約因素對(duì)地下管道的影響。

[關(guān)鍵詞]：地下管荷載因素

一、概述

今天，地下管道被廣泛應(yīng)用于各種工程，如污水管、雨水管、給水管、煤氣管、電話、電力、涵管等。工程師和規(guī)劃師們也認(rèn)識(shí)到地下基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)現(xiàn)代社會(huì)是絕對(duì)必需的。確實(shí)，我們現(xiàn)在所有的工程都必須“先地下”、“后地上”。而作為隱蔽工程的地下管道系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)得可以長(zhǎng)期使用，一般設(shè)計(jì)壽命應(yīng)當(dāng)是最少50年，但是，政府在50年內(nèi)一般也沒有能力來置換所有全部地下管道基礎(chǔ)設(shè)施，所以現(xiàn)在的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮至少100年的設(shè)計(jì)壽命。那影響地下管道使用壽命的評(píng)價(jià)因素就是設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任了。

二、影響地下管道的因素

管道材料制造商保證其產(chǎn)品沒有缺陷的前提下，土壓力［1］、縱向荷載、活荷載、土壤沉降、升溫荷載［1］、地震荷載、冰凍荷載、膨脹土引起的荷載、上浮、土壤承載、內(nèi)部真空、施工安裝等都是影響地下管道的使用壽命的因素。而施工安裝在相應(yīng)專業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范和地方規(guī)程中都有詳細(xì)的規(guī)定，這里就不做闡述。而對(duì)其前面幾個(gè)因素，在實(shí)際工程中一貫被忽視，但對(duì)于整個(gè)城市管道規(guī)劃又極其重要，淺析如下：

1. 土壓力

地下管道任務(wù)確定后設(shè)計(jì)工程師往往要沿著選定管線作一次土壤調(diào)查，確定是否需要用外來土置換管道四周土壤，土壤的參數(shù)如土壤種類、土壤密度、土壤勁性（模數(shù)）[1]等設(shè)計(jì)中都是要考慮的。施壓在埋地管子上的荷載即土壓力取決于管道結(jié)構(gòu)及周圍土壤的勁性，而高土壤密度將保證高土壤勁性。管子勁性與土壤勁性之比在很大程度上決定施加于管道上的荷載，放置在管道區(qū)內(nèi)的土壤應(yīng)能保持規(guī)定的土壤密度。此外，為消除應(yīng)力集中，土壤應(yīng)均勻投放，并圍繞管子夯實(shí)。

2. 縱向荷載

一般在地下管道承受豎向土荷載的同時(shí)，使管內(nèi)產(chǎn)生軸向彎曲的還有其他外力，如縱向荷載產(chǎn)生軸向撓曲和彎梁作用力。其產(chǎn)生的主要原因有：（1）不均勻的管座支撐。不均勻墊層可能產(chǎn)生于地基材料不穩(wěn)定，超挖引起不均勻沉降和不均勻夯實(shí)，及底部沖刷，例如土壤受侵蝕，沖入河水，或污水溝漏水等。想要減少這種作用力的影響，可以利用柔性管的優(yōu)點(diǎn)就是有能力變形，把集中外力躲開。采用柔性接口增強(qiáng)了管道順應(yīng)這種外力的能力，減低斷裂危險(xiǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)，再加上工程優(yōu)質(zhì)，安裝正確，既可避免柔性管道受軸向彎曲而遭致失敗。（2）不均勻沉降，管道剛性連接于檢查井或其他結(jié)構(gòu)物，發(fā)生不均勻沉降，不僅會(huì)引起很大的彎矩，也會(huì)引起剪力。當(dāng)結(jié)構(gòu)物和/或管子彼此相對(duì)側(cè)向移動(dòng)時(shí)，這些力和彎矩就形成了。所引起的應(yīng)力在數(shù)量上很難求得，只有在設(shè)計(jì)和施工時(shí)，做好對(duì)管道和結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)和墊層；做到消除不均勻沉降或使其降低到最小值。（3）地面移動(dòng)。某些類土壤（大多數(shù)為膨脹土）受含水量的影響，這種土壤隨濕度變化而有季節(jié)性的上升和下降。有效的做法就是不使管子直接埋置在這種土壤中。但可能這種鄰近土壤的移動(dòng)影響管線，通常情況下這種移動(dòng)是小規(guī)模的，但可能大到影響管線的運(yùn)作。對(duì)剛性管為了減輕這種不良影響，采用短管和柔性接口。對(duì)柔性管，管子本身的柔性即可適應(yīng)這種移動(dòng)。不會(huì)在結(jié)構(gòu)上引起破壞。這個(gè)因素的影響下，縱向柔度和環(huán)向柔度都很重要。

3．活荷載

土壤表層上重荷載的作用，例如公路運(yùn)輸、鐵路、埋管上得建筑物，常在設(shè)計(jì)中規(guī)定管上最小覆土厚度來控制 ，這樣的規(guī)定在相應(yīng)的給排水、電力、燃?xì)獾墓艿涝O(shè)計(jì)規(guī)范中都有詳細(xì)的規(guī)定。但表層荷載具有沖擊性時(shí)，例如車輪在不平整路面上的沖擊，應(yīng)加上沖擊因數(shù)。對(duì)于輸氣和輸液管線，通常是采用最小覆土，必要時(shí)考慮管道加固。而近代空港設(shè)計(jì)活荷載都是很大的，在設(shè)計(jì)跑道下埋管的活荷載時(shí)，沖擊因數(shù)取1.0，原因是飛機(jī)降落時(shí)部分荷載被機(jī)翼承擔(dān)了。對(duì)停車場(chǎng)、停機(jī)坪等，沖擊因數(shù)必須考慮，一般要進(jìn)行相關(guān)資料的調(diào)查。

4.土壤沉降

一般在堅(jiān)實(shí)土壤中埋設(shè)管道，只要保證土壤沒有變形，土壤的沉降可以不必考慮。當(dāng)天然土壤存在著潛在可能沉降時(shí)，埋設(shè)管線要進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，土壤的移動(dòng)作用到埋管上時(shí)，或是通過土壤的彈簧作用，或直接使管子向梁一樣隨著土壤的高低而變形，考慮其應(yīng)力或應(yīng)變。

5.升溫荷載

一般情況下埋管內(nèi)的介質(zhì)和周圍土壤的溫度沒有太大差異，在這種情況下，管與土之間沒有或只有很小的膨脹和收縮，就不需要做溫度設(shè)計(jì)分析，當(dāng)流體是熱或涼的情況下，管子膨脹受周圍土壤的約束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，需要通過詳細(xì)的計(jì)算來考慮溫度引起的具體撓曲應(yīng)力。

5.地震荷載

是指在某些危險(xiǎn)地帶，大規(guī)模的地動(dòng)伴隨著地震對(duì)管線可能起巨大破壞作用，這種危險(xiǎn)地區(qū)原本是高活動(dòng)發(fā)生帶，例如斷層帶，土壤剪切面，或是管子伸進(jìn)構(gòu)筑物的過渡段。還有些是地震時(shí)土壤液化及埋管上浮。一般，地下管道的破壞率基本上隨著地震烈度(地震加速度幅度)的增高而增大；但場(chǎng)地的影響也非常明顯。1976年唐山地震災(zāi)損調(diào)查和國外其他災(zāi)損資料表明，一般情況下地下管道平均破壞率在堅(jiān)硬場(chǎng)地較小，在柔軟場(chǎng)地最重[2]。不均勻場(chǎng)地中的管道，其災(zāi)損率明顯高于均勻場(chǎng)地。當(dāng)公稱管徑為75～500mm時(shí)，加大管徑可以提高管道的抗震可靠度：當(dāng)公稱管徑大于500mm時(shí)，管徑的增加不會(huì)提高管道的抗震能力。柔性接口的災(zāi)損率明顯低于剛性接口；斷層對(duì)通過其埋設(shè)管道的影響巨大；管道與附屬設(shè)備或建筑物的連接部位因兩者動(dòng)力特性不同，出現(xiàn)大量破壞。由此，大多數(shù)地埋柔性管線可經(jīng)受住地震。比較柔性的管材結(jié)合柔性接頭，能適應(yīng)地動(dòng)而免遭破壞。經(jīng)過地震波的通過（瞬間地面變形）[1]和經(jīng)過地面的永久變形[1]都是影響地震中埋管是否完整的重要因素，所以工程師在地震多發(fā)帶的工程設(shè)計(jì)中，一定要利用高科技計(jì)算機(jī)對(duì)于管子和土壤的有限元模型進(jìn)行分析，也要充分考慮到地動(dòng)所引起的影響，從實(shí)際地震中學(xué)習(xí)知識(shí)，最終對(duì)埋管進(jìn)行成本效益的決策。

6.冰凍荷載

是指當(dāng)冷凍空氣持續(xù)若干小時(shí)時(shí)，淺層濕土即結(jié)出冰層或透鏡體[1]。冰凍往下延伸，又有小體積的水結(jié)冰。這種凍結(jié)使土壤干燥，因?yàn)榇藭r(shí)水再也不能滿足土壤中的毛細(xì)作用。因此，地下水從凍層以下范圍內(nèi)被毛細(xì)作用吸收到較低勢(shì)位區(qū)。這些水達(dá)到動(dòng)層時(shí)也會(huì)凍結(jié)，這個(gè)過程將繼續(xù)下去，直到平衡為止。已凍結(jié)層下的冰凍所產(chǎn)生的壓力，是由于冰的膨脹。這項(xiàng)膨脹壓力會(huì)大大增加埋管上的垂直荷載。但設(shè)計(jì)人應(yīng)知道，由于冰脹的延伸，荷載的增加對(duì)柔性管即不太明顯，而對(duì)于剛性管可能增加荷載。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮季節(jié)性凍土地區(qū)管道埋深和土質(zhì)狀況。

7.上浮因素

是指埋管一般埋在地下水位以下，深覆土可以防止上浮，但在淺覆土情況中，可能需要用壓塊、重物等防止上浮。管上的鋼筋混凝土鋪裝可以幫助抗浮，壓板必須錨固。如填土為顆粒土且被夯實(shí)，則上浮管道必然會(huì)抬升土鍥[1]。倘若管子的上浮力超過管重及土鍥有效重時(shí)，必須用錨栓來遏止上浮。

三、結(jié)論

如今的城市管道規(guī)劃承載著百姓的生活質(zhì)量，幾乎所有的地下管道都是城市正常運(yùn)作的生命線，所以作為地下管道工程師在設(shè)計(jì)埋地管道時(shí)一定要注意以上諸多外界和內(nèi)在的制約因素，用工程科學(xué)來設(shè)計(jì)這些管道。

參考文獻(xiàn)

［1］《Watkins,R.K.,and L.R. Anderson》2000

［2］ 李杰.生命線工程抗震基礎(chǔ)理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2005.