波紋管在砂石系統中的應用

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

1 工程概況

本項目位于西藏桑日縣境內，工程區距拉薩市約219km。工地到拉薩交通方式只有公路交通，主要依賴新S306省道，該公路目前有部分泥結石路面，對外交通條件較差。而該工程位于海拔3500m左右的高原地區，生產、生活物資相對匱乏，絕大部分生產、生活物資均需要靠內地運輸進來。根據我公司以往的施工經驗，在該類地區施工的重點難點主要有生產生活物資保障、施工資源配置、對外協調減少干擾三個方面，如果不解決好上述問題，將嚴重影響工程施工進度。砂石、混凝土系統料倉混凝土廊道施工是制約施工進度，且投入大的關鍵環節。為保證砂石、混凝土系統建設進度，計劃研究采用金屬波紋管替代砂石、混凝土系統混凝土廊道，解決工期緊、物資供應困難、冬季混凝土施工難度大等問題。

本課題采用的波紋管有足夠的強度和剛度，可承受一定的堆料負荷和地基沉降變形，安裝工期短，不受氣候條件的限制，廠家預制半成品、現場拼裝，占用施工場地少，安裝完成后可快速回填形成料倉平臺，不受混凝土凝期的限制，可以提前為其它作業提供場地，作業人員少，周轉性材料使用少，施工成本低，工程完工后，金屬波紋管可回收重復利用，具有一定的回收價值。

2 波紋管在砂石系統中的應用步驟

2.1 波紋管組裝

波紋管到貨后，在設計地弄位置，制作拼裝平臺進行波紋管組裝，拼裝過程中用吊車輔助拼裝、移動就位。根據設計圖紙超細碎調節料倉布置4條17m金屬波紋管地弄，成品料倉布置2條(成品砂倉長102m，成品粗骨料倉長96m)金屬波紋管地弄。

2.2 管道直線敷設

按照設計圖要求，成品料倉地弄需要有一定傾斜度方便排水，敷設前進行測量放點，拉好安裝軸線，從下游至上游進行安裝，在下游端部采用鋼板及角鋼封堵，并埋設通風管。

2.3 開挖溝槽

溝槽槽底凈寬度，按管外徑加0.6m～1m確定(主要為拼裝交接位置)，其他位置寬度保證波紋管能埋設。

2.4 開挖基槽

嚴格控制基礎高度，不擾動基面，基底設計標高以上0.2m～0.3m的原狀土予以保留，鋪管前用人工清理至設計標高。當出現局部超挖或者發生擾動時，換填細骨料并平整夯實。

2.5 回填基礎

(1)管體楔形部回填：采用級配良好的天然砂礫(含水量要求比最佳含水量大2%左右)，人工用木棒在管身外向內側進行夯實，木棒截面為15cm×15cm，單次沖擊力要達到9kg/次，木棒作用點必須緊貼管身，每個凹槽部位都必須夯實到位。

(2)管體兩側回填及頂部回填：

①填筑前在管節兩側用紅色油漆按每20cm高度標注，填筑時按標注線控制；

②縱向施工順序，從涵洞中心至兩側，也可從兩側至涵洞中心；

③涵管兩側的部位回填采用級配良好的天然砂礫或級配碎石，每側填筑寬度不小于1m；

④管身最大直徑兩側50cm外使用18t壓路機碾壓，50cm范圍內使用小型夯實機械夯實，以避免壓路機等大型機械設備對管涵的撞擊；

⑤填筑時應分層填筑、分層壓實，每層壓實后的厚度為20cm，壓實度要求達到95%方可進行下一層填筑；

⑥填筑必須在涵管兩側同步對稱進行，兩側的回填土高差不得大于30cm；

⑦管頂以上碎石或砂礫的填筑高度不小于1.0m，管頂填土厚度小于50cm時，不得使用大于6t的壓路機械碾壓，也不允許施工機械通行。達到每種管徑的最小覆土厚度后，采用振動式壓路機碾壓，可允許施工機械通行；

⑧管體兩側及頂部10m范圍內不允許使用強夯機械。

2.6 卸料口加固

波紋管卸料口位置均用鋼結構進行加固，并且在波紋管頂部卸料口周圍包澆C20混凝土，確保卸料口的穩固。

表1中件13、14、16為卸料口加固材料，該材料主要為δ=12鋼板和件10、11、12卸料口材料焊接形成框架結構后用混凝土進行包澆，增加該卸料口整體的穩定性(澆筑過程中將肋板與波紋管之間的孔洞澆筑填實)；件15起到和弧門連接的作用，最終形成弧門、卸料口、波紋管頂部整體的效果。

圖1 地弄斷面

圖2 卸料口外部加固

表1超細碎調節料倉地弄材料表(4條地弄)

2.7 波紋管底部排水

由于超細碎調節料倉地弄較短，長度13m，設計時為水平安裝，底部積水(細碎料倉頂部有雨棚，前面僅部分噴淋水，且波紋管不漏水，積水極少)可以通過平流排出地弄。

成品料倉地弄較長，單條地弄達到100m，整體安裝考慮有0.5%的坡度方便自然排水(波紋管使用過程中邊壁未出現漏水和浸水，砂倉含水率較高時曾出現過水從卸料口進入地弄皮帶上的情況，項目部建議類似工程可以先從回填施工入手，回填級配碎石，方便波紋管外部水從周邊滲透而不影響基礎，波紋管底部兩側可以打孔，同時在底部用鋼板焊一條水槽，低于打孔位置，進行整體排水)。

3 波紋管變形觀測

(1)波紋管設計內徑φ3500mm，厚度7mm，只承受自重時，y方向形變量-2.52mm，x方向形變量為+2.62mm，根據y方向上方堆料高度增加，x、y方向如圖3所示。

圖3 波紋管xy方向示意

(2)根據成品料倉堆料設計最大高度為16m，對波紋管x、y方向形變位移進行監測，監測結果見表2。

表2波紋管x、y方向形變位移監測結果

(3)根據表2和圖4數據可知，當堆料高度達到8m后，波紋管x及y方向基本不發生形變，相對穩定，最大形變量為4.1mm，根據波紋管使用設計形變最大值為10mm，滿足設計要求。

圖4 波紋管x、y方向隨堆料高度變化

4 技術路線分析

圖5 波紋管在均布荷載下截面受力簡圖

波紋管DN3500，δ=7mm技術參數型號為CSPS E3500，材質為Q235，波形為200±3mm×55±3mm，波紋管鋼板厚度為7.00mm，鋼板偏差值下偏差為0mm，上偏差為+0.9mm。抗拉強度≥400MPa，屈服強度≥235MPa，安全承載≥115MPa。

(1)計算波紋管堆高16m時底部截面受力為：底邊長度×16×堆料密度。

(2)底部壓強則為：底邊長度×16×堆料密度/底邊長度×重力加速度=16×堆料密度×重力加速度。堆料密度取砂的密度1600kg/m3，重力加速度取10N/kg，則：

底部壓強=16m×1600kg/m3×10N/kg=256000N/m2

(3)波紋管(1m長時)半邊受力為：F=(256kN/m2×1m×3.14×3.5m/2)/2=703.36kN。

F2=703.36×sin45°=497kN，壁厚取7mm時，該部位壓強為497/(1×0.007)=71MPa。因此，堆料高度16m時，波紋管邊壁壓強達到71MPa，小于安全承載115MPa，故波紋管符合承載力要求。

圖6 波紋管結構受力演示

通過結構受力演示圖②和圖③可以看出：波紋管地弄在受力過程中(應力增大)，卸料口這條線最容易發生變形破壞，所以我部在波紋管施工完畢后，對卸料口采用肋板加固，與弧門形成整體，確保波紋管的整體鋼度(鋼結構卸料口，混凝土包澆)。

5 經濟效益分析

通過采用金屬波紋管替代鋼筋混凝土廊道，節約了工期和資源投入，波紋管在整個砂石系統中的應用達400余m，大幅度地縮短了工程建設工期，應用波紋管替代傳統鋼筋混凝土廊道減少了材料的投入，加快了施工進度，節約了施工成本。在本工程中，通過波紋管的應用，在滿足環保砂石系統生產要求的情況下，實現綜合經濟效益達200萬元。

6 結論

該項目在西藏地區砂石系統建安工程中有效地解決了鋼筋混凝土地弄施工時間長、工序復雜、物資供應困難、施工場地狹窄、冬季混凝土施工難度大等問題。采用金屬波紋管地弄結構，工廠加工成半成品運輸至施工現場，現場安裝后可快速回填形成其它作業用場地，縮短建設工期，節約建設成本。砂石系統建成后在生產過程中對該地弄進行檢驗，堆料變形量在設計范圍內且不影響使用，滿足生產要求。在其它類似的工程中，采用波紋管也是能滿足應用要求的。