輸水管道埋深設計要點淺析

劉應忠，汪賓舟，陳佐豪

(貴州省水利水電勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

0 引言

輸水管道設計中，合理的管道埋深對管道運行安全尤為重要。當管道穿越耕地時，若埋深不足，在后期農耕時相關農耕器械會對管道造成破壞，或者因埋深不足而發生浮管現象,當管道埋深過大時，管道外部覆土等荷載過大導致管道變形超限而發生破壞。地下埋管管道破壞后檢修不便，若為有壓輸水管道，則還可能會造成爆管等現象，后果較為嚴重。因此，在管線征地為臨時征地的輸水管道進行布置時，選擇合理埋深很是關鍵，在無其他工程措施情況下，應保證管道埋深在允許范圍內，既滿足最小埋深要求，也不超過允許最大埋深。

然而，在輸水管道設計中，若嚴格按照常規條件下管道本身所能承受的管道埋深進行設計，則不可避免在起伏較多的山區地帶，需要更長的管道，更多的彎頭，更多的泄水閥和空氣閥等。因而，在保證安全的前提下，經濟因素則是需要著重考慮的。

文章以惠水縣平寨水庫輸水管道工程為例，綜合考慮安全與經濟因素，對不同管徑最大管道埋深進行計算，為管道的沿線布置提供依據。同時，在局部起伏較多的山區地帶，對嚴格按照計算埋深布置管線和采取工程措施2種方案進行比選，選擇更為安全經濟的方案。

1 工程概況

惠水縣平寨水庫工程是綜合利用的水利工程，作為壩王河流域規劃的龍頭水庫，主要建設任務為供水、灌溉，兼顧發電，無防洪任務。平寨水庫總庫容7 940萬m3，年供水量7 822.90萬m3，灌溉面積9 113.33 hm2，根據供水對象重要性及輸水流量，輸水線路干管及建筑物按4級建筑物設計，支管及建筑物按5級建筑物設計。

輸水管道工程主要包括干管、抵季支管、邊陽支管和克度支管，管徑DN900～DN2400，管節標準長度6 m，設計流量1.05～7.67 m3/s，總長52.52 km，其中干管(不包括隧洞部分)15.62 km、抵季支管4.40 km、邊陽支管26.38 km、克度支管6.12 km。干管管徑DN2400和DN2200，抵季支管管徑DN900，邊陽支管管徑DN1600、DN1400和DN1200，克度支管管徑DN1200和DN1000，管材均為離心球墨鑄鐵管，除干管7+590 m—干管7+763 m、干管8+227 m—干管9+891 m和干管13+258 m—干管14+911 m管件壓力等級為K9級外，其余管段管件壓力等級均為K8級。

2 管道埋深計算分析

2.1 計算理論與方法

輸水管道允許最大埋深以管道徑向變形率應不大于最大允許徑向變形率作為控制條件進行計算：

管道徑向變形率計算公式:

(1)

式(1)中：Δ—管道的徑向變形率，%；Kx—變形系數；∑P—作用在管道上的豎向荷載，包括回填土荷載、地面堆積荷載(缺乏資料時可取為0.01 MPa)、車輛荷載，MPa；E′—管側回填土的反作用模量，MPa；S—管的徑向剛度，MPa。

管的徑向剛度計算公式:

(2)

(3)

式(2)、(3)中：S—管的徑向剛度，MPa；E—管的彈性模量，MPa；DE—插口外徑，mm；enom—公稱壁厚，mm；emin—最小壁厚，mm；em—計算壁厚，mm。

回填土荷載計算公式:

P1=0.001γH

(4)

式(4)中：P1—回填土荷載，MPa；γ—回填土重度，kN/m3；H—從管道頂部到設計地面的距離，m。

車輛荷載計算公式:

(5)

式(5)中：P2—車輛荷載，MPa；β—交通荷載系數；DN—管徑，mm；H—從管道頂部到設計地面的距離，m。

2.2 參數選擇和統計

根據管側回填土壓實度要求，輸水管道管溝類型均為Ⅱ類。輸水管道管徑類型共有9種，回填土類型為A、B、C、D類。參數選擇和統計結果匯總如下，見表1和表2。

表1 徑向剛度和最大允許徑向變形率表

表2 管側回填土的反作用模量表

2.3 計算結果分析

根據輸水管道管徑類型、管溝類型和回填土類型，將輸水管道允許最大埋深計算成果進行匯總分析，見表3。

通過對表3計算成果進行分析，輸水管道允許最大埋深與回填土類型、管徑、管道壓力等級、管溝類型相關。在同一回填土類型情況下，輸水管道允許最大埋深與管徑呈負相關，隨之減小而逐漸增大，即管徑越小，所能承受的允許最大埋深越大。在同一管徑情況下，A類回填土對應的管道所能承受的允許最大埋深最大，從A類到D類依次減小。另外，DN2400和DN2200均含k8和k9兩種壓力等級，在同一管徑情況下，壓力等級越高，所能承受的允許最大埋深越大。

表3 輸水管道允許最大埋深成果匯總表

該輸水管道工程管線征地為臨時征地，故管道鋪設為埋管，管道埋深覆土厚度≥0.70 m，穿越農田耕地時，應≥1 m。故在常規條件下(不采用工程措施)，除了埋深應小于允許最大埋深以外，還應滿足最小埋深要求，以免管道因埋深不足或埋深過大而發生破壞。

3 埋深比選

在布置管道時，對于地形連續起伏的地區，根據管道布置情況適當下挖使管道剖面布置盡可能平直，以此減少管道、彎頭、泄水閥和空氣閥等工程量。管槽下挖帶來的問題是最大埋深可能會超過允許最大埋深，對于這一問題的解決方案為采用混凝土包管的工程措施進行處理。采用混凝土進行包管一是增加了混凝土工程量，二是因為下挖增加了土石方開挖量，故設計時需要進行比較分析，判斷何種方案更為安全經濟。文章選取該輸水管道工程的干管4+583.50 m-干管4+693.54 m段進行分析，采用的混凝土包管具體工程措施為：C20混凝土進行包管，包管范圍為管槽基礎到管頂30 cm以下部分。管溝開挖邊坡坡比：土質邊坡為1∶0.75，巖質邊坡為1∶0.50；管溝底寬為3.40 m。表4為輸水管道干管4+583.50m-干管4+693.54 m段2種方案的工程量匯總表，圖1和圖2為該管段2種方案的管道剖面布置圖。從表4、圖1和圖2可知，該管段采用C20混凝土包管的方案土石方開挖量增加，也額外增加了C20混凝土工程量，但減少了一個鎮墩，DN2400球墨鑄鐵管減少1 m，減少2個彎頭，減少一個DN500泄水閥、一個DN250空氣閥以及相應的閥室，具體2種方案的工程量及投資對比見表4。經比較，該管段采用C20混凝土包管布置節省投資8.81萬元，更為經濟，選擇此方案。

表4 埋深比選工程量及投資匯總表

圖1 按允許最大埋深布置形式圖

圖2 對管道進行包管布置形式圖

4 結語

通過對輸水管道埋深進行設計，有以下幾點思考，以期為類似工程提供借鑒：①對于管道鋪設為埋管的輸水管道工程，管道最小埋深應滿足要求，以免因埋深不足而出現浮管或管道被農耕器械破壞。在較為平坦或不宜深挖深埋的地區，管道最大埋深應小于允許最大埋深，以免管道變形超限而發生破壞。另外，在條件允許情況下，管道回填土的土壤類型盡可能選擇A類和B類土壤，且管道回填土壓實度應嚴格滿足要求，以此保證管道允許最大埋深為較大值。②對于因下挖造成的管道埋深大于允許最大埋深的情況，可采用合理的工程措施如混凝土包管進行處理，并作方案比選，選擇更為安全經濟的方案。