球墨鑄鐵管自錨式接口技術的工程應用

張智聰

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330200)

1 自錨式接口技術概述

球墨鑄鐵管若配置常規柔性滑入式接口則易于軸線伸縮與徑向偏轉，增強埋地輸水管線應用效果，但管線彎頭等部位會因水流流向的變化而出現水力推力，還會因地基沉降而導致接口滑脫。自錨式接口能有效解決上述問題，通過接口處所增設的機械自錨固裝置，將滑脫至最大位移的插口進一步鎖定，有效防止接口再次滑脫，其內腔的膠圈還能發揮接口密封作用。自錨式接口還具有較好的偏轉性能，能有效消除因地基沉降而引發的彎曲應力[1]。自錨式接口結構詳見圖1。

圖1 自錨式接口結構

2 自錨式接口技術的工程應用

2.1 工程概況

崇義縣供水改擴建工程—輸水管工程建設地點為長河壩水庫至縣自來水廠，主要為崇義縣縣城供水的輸水管道工程，崇義縣自來水水廠設計供水規模為5萬t/日，因此管道設計最大取水規模為5.4萬t/日(考慮8%管道滲漏損失和水廠自用水系數)，折合流量為0.625m3/s。

本工程的建設內容為：新建DN700輸水管道6.18km(其中球墨鑄鐵管2.878km，鋼管3.302km)，新建輸水隧洞2.08km、支撐鋼管跨河橋橋1座、護岸擋墻499.6m、DN1500鋼管頂管24m以及管道沿線水土保持、輸水管出水口廠區儲藏間、發電機房、食堂衛生間改造、圍墻等配套附屬設施的建設。

2.2 免支墩設計

在管線輸水過程中，因水力方向的改變可能導致彎頭、三通及變徑處出現水力推力。為消除埋地球墨鑄鐵管滑入式接口水力推力，除可使用混凝土鎮墩外，還可以采用免支墩設計。對于埋地管道，在水力推力處一定距離內管道與土壤之間的摩擦力及土壓力之和會對水力推力產生逐步抵消作用，最終使之降至為零，其間長度即為自錨長度。在自錨長度內外應當分別設置自錨接口和普通柔性接口，上述通過自錨接口代替混凝土鎮墩的處理就是免支墩設計[2]。

自錨長度L通常按下式計算：

(1)

式中：Sf為安全系數，本工程取2.0；P為管線內水壓力設計值，MPa；A為管線橫截面面積，mm2；Ff為外土層影響下管道與土壤間摩擦力值，kN；Rs為被動土壓力，kN/m；θ為水平彎頭彎曲度，°。

考慮到免支墩設計為球墨鑄鐵管混凝土鎮墩的替代技術，本輸水工程因水力推力處存在建筑物阻擋，難以進行鎮墩澆筑施工，且水力推力部位存在較大地基沉降，嚴重影響鎮墩結構的穩定性等原因而不具備混凝土鎮墩安裝條件，故因考慮免支墩設計。

2.3 地基沉降處理

管線區地質構造較簡單，主要表現為層內小斷裂、節理裂隙發育。據地表地質調查，管線區未見大規模斷層破碎帶，無全新世活動性斷裂存在；據多年觀測資料，工程區新構造運動較弱，地殼間歇性緩慢升降面積較大，區域地殼運動以河流沖蝕沖刷作業以及山體剝蝕風化作用為主，存在微弱的差異升降運動。在供水管線敷設過程中若采用焊接鋼管，對于沉降較大的區域會出現懸臂現象，因彎曲應力較大，管道容易折斷；若采用普通球墨鑄鐵管，則接頭容易滑脫，為此，本工程應采用自錨式球墨鑄鐵管接口，一旦發生沉降，接口滑脫后自錨裝置將通過其強大的防滑脫力將接口鎖定，每根管道均順地勢發生偏轉后自然沉降累積量增大，并使彎曲應力隨之消除。本供水工程沉降區管線長85m，接口偏轉角度1.0°，則管道順地勢發生偏轉后自然沉降累積量可達1.54m。

在供水管道沉管施工中也可能發生接口滑脫，雖然采取了布線固定措施，但管道也會因地基不穩等原因發生偏轉和沉降，所以，本工程沉管施工方面采用自錨式接口球墨鑄鐵管也較為適用。

2.4 水平定向鉆施工

運用水平定向鉆施工技術可在不開挖地表面的情況下完成供水管道穿越，為實現供水管道沿設計曲率半徑孔道從出口坑回拖至起始坑鋪管，對管道曲率半徑有一定要求，且管道應能承受孔道及泥漿所施加的摩阻力和拖拽力。

進行球磨鑄鐵管水平定向鉆施工時，應將球磨鑄鐵管與因鉆桿偏轉而引起的曲率半徑控制在孔道設計軌跡范圍內，內自錨式接口處應通過收縮套及薄鋼板包裹，并確保球墨鑄鐵管所允許牽引力符合各點軌跡回拖力要求。

2.5 輸水管線陡坡敷設

對于坡度較陡(≥20°)區域若按照滑入式接口進行球墨鑄鐵管安裝，則管線會因軸線向重力分力的出現而發生下滑，并當下滑累積位移增加至一定程度后，引發結構滑脫，為此，必須在崇義縣供水改擴建輸水管工程大坡度管道承口位置增設支墩，從而抵消部分甚至全部重力分力。若坡度超過20°，則應增設支墩并采取自錨式接口方案。崇義縣供水改擴建輸水管工程采用DN700球磨鑄鐵管，陡峭處坡長289m，坡度35.57°，考慮到管線陡坡敷設施工質量，采用自錨式接口與混凝土管床組合施工方式，效果顯著。

3 水壓試驗

球墨鑄鐵管自錨式接口允許防滑脫力PFR及自錨式接口試驗壓力允許值PEA通過式(2)和(3)計算：

(2)

PEA=1.5PFA+0.5

(3)

式中：PFA為球墨鑄鐵管自錨式接口工作壓力允許值，MPa；DE為自錨式接口外徑，mm。

崇義縣供水改擴建工程-輸水管工程DN700球磨鑄鐵管接口工作壓力允許值為0.73MPa，試驗壓力允許值為1.6MPa。

球墨鑄鐵管安裝完畢必須進行水壓試驗，按照設計要求及《給水排水管道工程施工及驗收規范》(GB50268-2008)的規定確定和控制試驗壓力值[3]。球墨鑄鐵管水壓試驗前，除管道接口部位之外，必須在其余管身內回填砂，使其頂牢沿線彎頭并支穩三通，并使管端后背與管道軸線保持垂直。在原有管溝土后背的基礎上再緊挨土壁放置一排方木，外層增設鋼板，通過千斤頂將其和管端頂牢設置。按照設計及相關規范，本供水工程試驗管段長度應控制在1000m以內，并在管段起伏定點設置排氣閥。沖水的過程中排氣，待管內所有氣體排放完畢且無氣泡后將排氣閥關閉。

按照設計及相關規范進行水壓試驗壓力控制，試驗壓力應當控制在管道工作壓力的1.0-1.25倍范圍內。開始水壓試驗后，先將鋼管段灌滿水使內部空氣徹底排凈后，通過電動試壓泵使鋼管內部壓力緩慢勻速上升，達設計壓力后穩壓8-10min，再快速升至設計試驗壓力，此時岔管和其它鋼管再分別穩壓30min和10min，再降至設計試驗水壓后持續穩壓30-45min，期間通過0.5-1.0kg木制敲擊錘在焊縫兩側15-0mm區域內等重敲擊，并同時進行管道內水壓變化程度、管道滲水情況等的觀測與記錄。

4 結 論

當前，我國球墨鑄鐵管市場不斷繁榮，開發和生產自錨式接口類型球墨鑄鐵管的廠家也越來越多，輸水管道施工單位應重點考察和甄別廠家的技術實力、檢驗報告、專利保護等，若將輸水管線球墨鑄鐵管滑入式接口統統變為自錨式接口，則必將因自錨式接口附件多、安裝復雜、價格昂貴而導致工程投資增大，為此，必須密切結合工程實際，因地制宜，對于普通管線仍然采用滑入式接口，而僅在地基沉降、坡度較陡等情況下采用自錨式接口設計，更能保證供水工程管道施工質量，發揮工程經濟效益和社會效益。