懸吊式供水管道的設計

宋　濤，朱　琳，劉天政

山東省水利勘測設計院

懸吊式供水管道的設計

宋濤，朱琳，劉天政

山東省水利勘測設計院

本文論述了在巖石隧洞內設置大口徑懸吊供水管道的設計思路，并對其中的關鍵點和設計難點進行了分析和探討。

隧道；管道；懸吊；錨桿

1.前言

在某水電站供水管道設計中，管內徑D=1.6m的有壓供水管道需要穿越已有隧洞，該隧洞現為灌溉供水洞，斷面為倒梨形孔，正常非滿流過水。若將供水管道敷設在洞底，必然會抬高現有水位，也會對現有灌溉水流產生較大阻力，為了不影響現有灌溉用水斷面，計劃利用梨形孔上部不過水空隙設置懸吊式供水管道。為了保證整體剛度和強度，懸吊管材采用壁厚為18mm的螺旋鋼管。

2.錨桿懸吊方案的靜力計算

該隧洞巖石為結構密實、強度極高的花崗石，非常適合錨固，因此，擬采用在隧洞內錨桿懸吊鋼管的敷設方案，進一步計算確定錨桿的直徑、長度和錨固體的直徑、長度等參數，計算條件及結果如下：

①每根錨桿軸向拉力設計值Nt計算

計算條件：

輸水鋼管管徑為D=1.6m

每隔2米設1對錨桿

載荷分項系數1.3

計算結果：

長度2米的管重、水重之和約為60kN，則每根錨桿軸向拉力設計值Nt=1.3×（60/2）=39kN。

②錨桿直徑d計算

計算條件：

錨桿工作條件系數0.7

工程結構重要性系數1.1

使用年限50年

錨桿鋼材年銹蝕量0.04mm

計算結果：

d不小于16mm，為安全起見，選用d=25mm的螺紋鋼。

③錨固體與巖石間（花崗巖）的錨固長度L1計算

計算條件：

錨固體與地層粘結工作條件系數1.0

錨固體直徑40mm

巖石與錨固體粘結強度特征值900kPa（注漿標號M30）

計算結果：

L1不小于0.35m，安全起見，取L1=1.0m。

④錨固鋼筋與錨固砂漿間的錨固長度L2計算

計算條件：

錨桿與砂漿粘結強度工作系數0.9

錨桿鋼筋直徑0.25mm

鋼筋與錨固砂漿粘結強度設計值2400MPa

計算結果：

L2不小于0.25m，安全起見，取L2=1.0m。

3.錨桿懸吊鋼管的動力影響因素分析

供水鋼管在實際運行時，由于各種原因而產生的管道振動是經常發生的，管道振動原因分析如下：

①每段懸吊管道由于自身柔性而產生重力方向的撓度變形，并影響管內介質上下起伏和波動。②管道內部積有氣體或管道上的閥門操作速度太快，引起管道內部介質流速的急劇變化，形成水錘而造成管道振動。③與管道連接的設備或泵工作不正常，泵出口壓力波動過大。

以上動力影響因素均可引發管道自身振動，這種長期的振動會嚴重削弱錨固性能，使錨固體或錨桿因產生松動或脫落而失去固定和懸吊作用，嚴重影響管道長期運行的可靠性。

圖1　

4.加固措施

考慮到懸吊管道供水時可能會因自身振動而造成錨固體或錨桿失穩，因此有必要對管道采取可靠的加固措施，經反復研究，認為在懸吊管道下方增設托架和支腳可有效防范此類極端情況的發生。具體如下：

隧洞內懸吊管道每隔2米設置1副托架，管道固定在托架上；洞壁兩側設支座，支座必須與支座錨筋焊接牢固，支座錨筋深300mm；支臂由螺栓定位后分別與托架和支座焊接牢固（詳見圖1）。

在管軸線方向，通過角鋼將相鄰支腳牢固地焊接為一體，進一步增強了托架、支腳和管道之間的整體剛度和穩定性。

該懸吊管道施工后經過多年實際運行從未發生過任何安全事故，驗證了在結構密實、強度極高的花崗石上通過該錨固方案進行懸吊的供水管道在設計上是安全可靠的。

5.結論

采用懸吊式供水管道須考慮動力影響因素，采取增設托架、支腳和焊連等加固措施后，可有效消除懸吊管道供水時因自身振動造成錨固體或錨桿產生松動或脫落的隱患，確保管道長期運行的安全性和可靠性。

［1］《抽水機與抽水站》，揚州水利學校主編，水利出版社出版（北京德勝門外六鋪炕），1979年12月第一版，1982年10月新一版，第206～213頁，書號15047·4196

［2］《全國通用給水排水標準圖集》S3合訂本，中國建筑標準設計研究所出版，1991年北京，第265～438頁

［3］《建筑邊坡工程技術規范》，重慶市建設委員會主編，中國建筑工業出版社出版（北京西郊百萬莊），2002年6月第一版，第33～40頁，書號15112-10618

［4］《給水排水設計手冊》第三冊·城鎮給水·第二版，上海市政工程設計研究院主編，責任編輯魏秉華，中國建筑工業出版社出版，2004.4第二版，第70～75頁，版號ISBN 7-112-04146-5

［5］《AWWA M9手冊》混凝土壓力管·第二版，美國供水工程協會主編，2000.8第二版，第9-1～9-5頁

宋濤（1968-），男，漢，山東省濟南人，工程師，學士，金屬結構專業。