PCCP管在河南省南水北調(diào)中線配套工程中的運(yùn)用

丁 易， 元璐，劉 杰

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，鄭州 450003;2.黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003)

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程是解決京津華北平原城市用水、保障受水區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大基礎(chǔ)設(shè)施，是跨越流域、區(qū)域?qū)λY源進(jìn)行優(yōu)化配置的特大型工程。南水北調(diào)中線工程主要由總干渠主體工程、總干渠分水口門至城市自來水廠入口之間的供水配套工程、城市水廠及管網(wǎng)工程三部分組成。三部分工程應(yīng)同步建成才能實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)工程巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。河南省南水北調(diào)受水區(qū)供水配套工程主要向南陽、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、濮陽、安陽等11個(gè)省轄市48個(gè)供水目標(biāo)提供生活和工業(yè)用水。

近幾年我國對水資源的調(diào)整和分配，使長距離引調(diào)水工程逐年增多，尤其河南省南水北調(diào)中線配套工程的建設(shè)已全面開展，隨著工程技術(shù)、新型材料的發(fā)展，我國引進(jìn)了大量的新型管材和新的生產(chǎn)工藝，為供水工程管材的選擇提供了更多的余地。目前給水管材有很多種，大都在鋼管(SP)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管(PCP)、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、球墨鑄鐵管(DIP)、玻璃鋼管(GRP)、鋼塑復(fù)合管等管材中選擇，各種管材都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)工程的具體情況，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等多方面綜合分析比較，該工程大多數(shù)管材選用了PCCP的管材。

2 PCCP簡介

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)簡稱PCCP，是一種新型的鋼性管材。它由帶有鋼筒的高強(qiáng)度混凝土管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，噴以水泥砂漿保護(hù)層，采用鋼制承插口，同鋼筒焊在一起，承插口有凹槽和膠圈形成了滑動(dòng)式膠圈的柔性接頭，是由鋼板、混凝土、高強(qiáng)鋼絲和水泥砂漿等組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有鋼材和混凝土各自的特性。根據(jù)鋼筒在管芯中位置的不同，可分為兩種:內(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCPL)和埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCPE)。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)為復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有承受內(nèi)外壓較高、接頭密封性好、抗震能力強(qiáng)、施工方便快捷、防腐性能好、維護(hù)方便等特性。

3 PCCP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 PCCP結(jié)構(gòu)組成

PCCP可分為兩類:內(nèi)襯式管(LCP)(見圖1)和嵌置式管(ECP)(見圖2)，通常由下列幾部分組成:

b.高強(qiáng)度鋼絲:高強(qiáng)度鋼絲在預(yù)定應(yīng)力作用下以螺旋方式纏繞在管芯外側(cè)，從而在管芯內(nèi)部產(chǎn)生均勻的預(yù)壓應(yīng)力以抵抗內(nèi)壓和外荷載在管芯內(nèi)引起的拉應(yīng)力。依據(jù)管子所處的工作環(huán)境，對PCCP進(jìn)行精心設(shè)計(jì)可得到所需的最佳預(yù)應(yīng)力值。

c.水泥砂漿保護(hù)層:包覆并保護(hù)纏絲管芯，使其免受外力損壞及外界的腐蝕。

圖1 內(nèi)襯式管(LCP)

圖2 嵌置式管(ECP)

3.2 PCCP結(jié)構(gòu)計(jì)算

PCCP管的設(shè)計(jì)計(jì)算采用鋼絲面積試算的方法進(jìn)行，即先假定一個(gè)鋼絲面積，檢驗(yàn)該面積下是否符合PCCP管的全部檢驗(yàn)準(zhǔn)則，如果符合則減小假定鋼絲面積再檢驗(yàn)，如果不符合則增大假定鋼絲面積再檢驗(yàn)，直到找到符合全部檢驗(yàn)準(zhǔn)則的最小鋼絲面積。

設(shè)計(jì)的鋼絲面積需滿足由管子最大和最小同層鋼絲間距確定的管子最小和最大鋼絲面積的要求。當(dāng)設(shè)計(jì)的鋼絲面積小于管子最小鋼絲面積要求時(shí)，取最小鋼絲面積為設(shè)計(jì)面積。當(dāng)采用多種直徑鋼絲進(jìn)行試算時(shí)，計(jì)算出各直徑鋼絲下對應(yīng)的鋼絲面積，然后選取鋼絲面積最小的一組作為最終的鋼絲面積。

3.2.1 荷載計(jì)算

a.管子荷載:包括管子重量Wp、流體重量Wf、靜荷載We(包括覆土荷載和附加荷載)、瞬時(shí)荷載Wt、工作壓力Pw、瞬時(shí)內(nèi)水壓力Pt和現(xiàn)場試驗(yàn)壓力Pft。

b.荷載組合:管子所受的荷載分為7項(xiàng)，荷載組合有4類共13個(gè)荷載組合。

綜上可見，氧傳感器只能針對理論空燃比檢測出混合汽稀或濃，空燃比傳感器有著與空燃比成比例的特性，可以更詳細(xì)地檢測空燃比，而且在控制速度上，空燃比傳感器在檢測到理論空燃比發(fā)生偏差時(shí)可及時(shí)給予修正，氧傳感器只可以針對理論空燃比檢測出濃或稀，與空燃比傳感器相比補(bǔ)償時(shí)間過長。所以目前隨著尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，幾乎所有車型的空燃比傳感器都被作為主氧傳感器使用。

3.2.2 參數(shù)計(jì)算

包括鋼絲參數(shù)、保護(hù)層參數(shù)、薄鋼筒參數(shù)、混凝土參數(shù)、砂漿參數(shù)等。

預(yù)應(yīng)力鋼絲直徑ds:5mm、6mm、7mm;

預(yù)應(yīng)力鋼絲最小抗拉強(qiáng)度fsu:1670MPa;

預(yù)應(yīng)力鋼絲總纏繞應(yīng)力fsg:1252.5MPa;

薄鋼筒厚度dy:1.5mm;

薄鋼筒拉伸屈服強(qiáng)度fyy:227MPa;

薄鋼筒破裂強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f*yy:310MPa;

凈保護(hù)層厚度:20mm;

混凝土強(qiáng)度等級:C50;

保護(hù)層砂漿28天抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值:45MPa;

管基包角:90°;

填土濕容重:γs=20kN/m3。

3.2.3 計(jì)算成果

根據(jù)PCCP管道結(jié)構(gòu)計(jì)算數(shù)據(jù)，將計(jì)算成果列于下表。

PCCP管結(jié)構(gòu)計(jì)算成果表

4 PCCP的安裝技術(shù)要求

4.1 PCCP安裝

管道基礎(chǔ)為人工土弧基礎(chǔ)，管道安裝運(yùn)輸時(shí)不得擾動(dòng)地基。管道安裝一般應(yīng)將承口端面向安裝方向，安裝時(shí)宜自下游開始，承口朝向施工前進(jìn)方向。管道安裝時(shí)，為防止承插口環(huán)碰撞，待裝管應(yīng)緩慢而平穩(wěn)地移動(dòng)。對口時(shí)，應(yīng)使插口端與承口端保持平行，并使圓周間隙大致相等，確保準(zhǔn)確就位。當(dāng)管道移動(dòng)至距已裝好管道的承口100～200mm時(shí)，宜用方木支墊在兩管間。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后，撤除支墊方木，采用內(nèi)拉法或外拉法，使待裝管徐徐平行移動(dòng)，直至達(dá)到規(guī)定的安裝間隙。對于直線段，安裝間隙應(yīng)控制在25±10mm范圍內(nèi)。管道接頭設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)角時(shí)，接頭的最小間隙不小于10mm。每節(jié)管道安裝完畢后，應(yīng)采用鋼制測隙規(guī)檢查密封橡膠圈是否仍然在插口環(huán)的凹槽內(nèi)。

4.2 接頭打壓檢驗(yàn)

PCCP安裝完成后需要進(jìn)行3次打壓檢驗(yàn)。第一次，管道安裝完成后，隨即進(jìn)行接頭打壓，以檢驗(yàn)接頭的密封性;第二次，每安裝完成3節(jié)PCCP管后，應(yīng)對先前安裝的第一根管接縫進(jìn)行第二次接頭打壓;第三次，在管頂回填完成后進(jìn)行。接頭打壓應(yīng)使用經(jīng)過率定的專用加壓泵，從接頭下部的進(jìn)水孔壓水，上部排氣孔排氣;排氣結(jié)束后擰緊螺栓，加壓至管道工作壓力，保持5min壓力不下降，即為合格。

4.3 管道接縫處密封

為防止外露的承插口鋼構(gòu)件遭受腐蝕，需要在管接頭外側(cè)進(jìn)行密封保護(hù)。應(yīng)保證聚硫密封膠同承插口鋼圈粘接牢固，聚硫密封膠寬度應(yīng)充滿縫寬，厚度為25mm。

5 PCCP管在河南省南水北調(diào)中線配套工程的使用

由于PCCP管材具有生產(chǎn)技術(shù)成熟、接頭密封性好、抗震能力強(qiáng)、對一般地基無特殊要求、安裝迅速的特點(diǎn)，在南水北調(diào)中線河南省配套工程進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段之時(shí)，PCCP的使用對加快施工進(jìn)度、保證水質(zhì)，以及運(yùn)行安全起到了重要的作用，滿足了河南省南水北調(diào)配套工程的配套工程與主體干線工程同步建成、同步通水、同步達(dá)效的“三同步”要求。南水北調(diào)中線在河南省沿線南陽、漯河、周口、平頂山、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽、濮陽等11個(gè)受水市的配套工程中使用PCCP達(dá)660km，管徑從DN1000～DN3000，到2013年底已安裝埋設(shè)大約80%。這對改善河南省受水區(qū)域市水資源緊缺狀況、歸還城市擠占的農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水效果明顯，為城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供了供水安全保障，對全省的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的意義。■