應急備用水源工程中球墨鑄鐵管水壓試驗研究

易 凱

（湖南省水利水電勘測設計規劃研究總院有限公司，湖南 長沙 410007）

引 言

球墨鑄鐵管是指球化處理后的鐵水經過離心澆注、退火、水壓試驗和內外防腐工藝生產出來的管材，簡稱為球管或球鐵管，它繼承了灰口鑄鐵管耐腐蝕的特點，材料性能又與鋼相當，所以稱之為“鐵的本質、鋼的性能”。工程實踐表明，球墨鑄鐵管防腐性能優異、抗沉降能力強，密封效果好，安裝簡易，廣泛用于市政、工礦企業的給排水、燃氣等輸送管道工程。

水壓試驗是給水管道工程完工后對工程質量檢測的重要環節。根據GB 50268-2008《給水排水管道施工及驗收規范》的規定，給水管道工程應在工程完工后，需進行管道工程質量檢測，因此開展球墨鑄鐵壓力管道水壓試驗，以確保工程安全穩定運行。

1 工程概況

老屋橋水庫位于邵陽市大祥區，是配套“十四五”重點水利工程犬木塘水庫工程施工期的邵陽市城市應急備用水源，以保障犬木塘水庫工程樞紐施工期城市供水安全。此應急備用水源工程為建設一座取水泵站和老屋橋水庫至城區水廠約8 km的連通管網，管道全線采用DN1000球墨鑄鐵管，管道連接方式為滑入式柔性接頭。

2 試壓前準備程序

2.1 試驗管段長度選擇

本次試驗段管段長度依據設計人員在施工圖中的要求選取，不應超過1 km。

2.2 后背設計和水壓試驗的平衡推力鎮墩固定設計

在做水壓試驗之前，管道兩端加接一段帶法蘭的短管，短管段的法蘭與盲板連接，在盲板的端面上使用3個30 t機械千斤頂，以管軸線為中心均勻分布，再與推力后背墻的鋼板進行支撐固定。盲板采用鋼制盲板，尺寸應按GB/T 13295-2019《水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件》中的盲板標準加工制作，確保法蘭密封效果。具體的水壓試驗裝置見圖1。

圖1 水壓試驗裝置圖

本次水壓試驗加固方案為：在工作井位置，對工作井上、下游一段管道進行打樁、包灌混凝土及對原有的工作井位置閥門閘室設計進行更改和優化，使閥門閘室功效提升，既能滿足原有的設計功能又能滿足管道水壓試驗的推力平衡，滿足管道水壓試驗的要求。

2.3 利用閘閥井及其前后的包管混凝土來平衡堵板推力計算

2.3.1 堵板上的水壓推力Ft計算

堵板上的水壓推力Ft計算公式：

式中 P——試驗水壓，根據本項目規范要求取值為1.2 MPa；

D——管道內徑，取值為1.0 m。

計算得：Ft=96.17 t。

2.3.2 閘閥井和包管混凝土段的總阻力

1）閘閥井的阻力

閘閥井的阻力Fa由水平土壓力P0、井室兩側面與土體接觸面上的粘聚力F1、井室底板與地基間的摩擦力F2三部分組成：

由于不允許發生位移，垂直于管軸線的井壁面上的水平土壓力P0按靜止土壓力計算：

P0=（0.5γ·H2·K0）·B

式中 γ——土體的浮容重，取1.0 t/m3；

H——井壁高度，按圖紙尺寸取值為2.3 m；

K0——靜止土壓力系數，一般取值為0.82 m；

B——井壁立面寬度，按圖紙取值為1.6m。

計算得：P0=3.47 t。

井室兩側面與土體接觸面上的粘聚力F1計算公式：

F1=S1·C

式中 S1——井室兩個側面的面積，按圖紙尺寸其值應為15.64 m2；

C——土體粘聚力，取值為1.0 t/m2。

計算得：F1=15.64 t。

井室底板與地基間的摩擦力F2計算公式：

F2=N2·tgψ+S2·C

式中 N2——井底與地基間的正壓力，其值為井體重量與井體浮力之差，其中：

井體重量=井體混凝土體積×混凝土容重，按圖紙尺寸井體混凝土體積為15.5m3，混凝土容重取2.4 t/m3，故井體混凝土重量取值為37.20 t；井體浮力為井體排水體積的水重，根據圖紙尺寸，井體排水體積為28.15 m3；因水體容重為1.0 t/m3，所以井體浮力也為28.15 t，故N2=9.05 t；

ψ——土體內摩擦角，取值為15°；

S2——井地面面積，根據圖紙尺寸，取值為12.24m2；

C——地基土的粘聚力，取值為1.0 t/m2；

計算得：F2=14.68 t。

故計算得到閘閥井的總阻力Fa=P0+F1+F2=33.79 t。

2）包管混凝土段的阻力計算

包管混凝土段的總阻力Fb由包管混凝土兩側面的粘聚力F3和包管混凝土地面摩擦力F4兩部分組成：

包管混凝土兩側面的粘聚力F3計算公式：

F3=S3·C

式中 S3——包管混凝土兩個側面的面積，按圖紙尺寸其值為82.08 m2；

C——土體的粘聚力，取值為1.0 t/m2；

計算得：F3=82.08 t。

包管混凝土地面摩擦力F4計算公式：

F4=N4·tgψ+S4·C

式中 N4——管底混凝土與地基間的正壓力，為包管混凝土總重量+管內水重-混凝土體浮力，其中：包管混凝土總重量=包管混凝土總體積×混凝土容重，按圖紙尺寸包管混凝土總體積計算值為64.07 m3，混凝土容重取2.4t/m3，故計算包管混凝土總重量為153.76 t；按管道尺寸計算包管混凝土段的水重W水=8.95 t；包管混凝土段的浮力為包管混凝土段所排開水體的重量，按圖紙尺寸，包管段所排開水體體積計算得82.08m3，水的容重為1.0 t/m3，故包管段的浮力為82.08 t；計算得：N4=80.63 t；

S4——管底混凝土與地基的接觸面面積，根據圖紙尺寸，其值為45.6 m2；

ψ——土體內摩擦角，取值為15°；

C——地基土的粘聚力，取值為1.0 t/m2。

計算得：F4=67.37 t。

故包管段的總阻力Fb=F3+F4=149.45 t。

3）閘閥井和包管混凝土段的總阻力

閘閥井和包管混凝土段的總阻力F為閘閥井的阻力Fa與包管混凝土段的總阻力Fb之和，計算得：總阻力F=183.24 t。

因此，整體結構抗滑安全系數K=F/Ft=1.9＞1.3，滿足要求。

2.4 試驗段注水

根據現場情況從下游端注水，總用水量根據實際長度進行調整。水量計算：DN1000球墨鑄鐵管內徑為1 000 mm，按管道規格計算儲水量，試驗段長取L=1 000 m，計算得水量V=785 m3。沿途地表水無污染，可以作為水源進行水壓試驗。

從試壓管道的進水盲板下方開口端開始注水，注水緩慢，盡量使空氣混入；打開高點排氣閥，水量充足、持續，排氣順暢，管段灌滿后持續一段時間，確保管道中的空氣全部排出；最后將閥門關閉。

2.5 管道浸泡

球墨鑄鐵管內襯水泥砂漿內襯，在試驗管段注滿水后，需要將試驗管段充分浸泡，管道浸泡24 h后才能進行打壓試驗。

2.6 試驗設備和儀器

管道試壓采用管道試壓泵不銹鋼立式多級離心泵BL（T）、恒壓供水控制器（WLD190）作為壓力源，水泵2臺套。

壓力表采用（0～2.0）MPa，最小刻度為0.2 MPa，管道一端設1個壓力表，壓力表安裝在試驗段低端部位。

3 試驗分析

3.1 試驗壓力

本次試驗的工作壓力為0.7 MPa，根據GB 50268-2008《給水排水管道施工及驗收規范》的規定，試驗壓力應當取1.2 MPa。

3.2 預試驗階段

將管道內水壓緩緩升至試驗壓力并穩壓30 min，期間如有壓力下降可注水補壓，但不得高于試驗壓力1.2 MPa；檢查管道接口、配件等處有無漏水、損壞現象；有漏水、損壞現象時應及時停止試壓，查明原因并采取相應措施后重新試壓。

3.3 主試驗階段

停止注水補壓，穩定15 min后，壓力下降值不超過0.03 MPa時，將試驗壓力降至工作壓力并保持恒壓30 min，進行外觀檢查，若無漏水現象，則水壓試驗合格。

3.4 注意事項

球墨鑄鐵壓力管道水壓試驗應注意以下事項：①根據現場實際情況，預計每段試驗過程需用時為2～4天。②由于球墨鑄鐵管道兩端設置有千斤頂和鋼板加固裝置，所以打壓時后背墻必須堅固穩定，不致因壓力增大而發生不穩定現象。③升壓過程中，管道的氣體應排除，發現彈簧壓力計表針擺動、不穩，且升壓較慢時，應重新排氣后再升壓。并需分級升壓，每升一級應檢查后背、支墩、管身及接口，無異常現象時再繼續升壓。④水壓試驗過程中嚴禁修補缺陷。遇有缺陷時，應做出標記，卸壓后修補。⑤確保安全目標零事故，注意各類安全細節，如使用發電機供電，前期要做好設備與線路的防水絕緣，注意試驗過程中后背頂撐與管道兩端嚴禁站人等。⑥試驗前期做好應急預案。

4 結論

由于方案完備、施工和操作過程嚴格規范，本水壓試驗研究于2021年7—9月份間在8 km管線上分段全線完成，均一次性打壓通過，該項目試驗壓力段達到了GB 50268-2008《給排水管道工程施工及驗收規范》規定的壓力要求，在業主方、監理方和施工方簽字確認后，老屋橋水庫應急備用水源工程的水壓試驗圓滿完成，證明該水壓試驗方案是安全可行的。

總之，水壓試驗是給水管道工程完工后對管道工程檢測的重要環節，應當按照設計要求以及GB 50268-2008《給排水管道工程施工及驗收規范》功能性試驗的規定嚴格執行，本工程的球墨鑄鐵管管線水壓試驗可總結出以下幾點經驗：①本工程水壓試驗對原有的閥門井室和后背墻的設計進行了重新計算和優化，以提高工程安全的可靠性。②此試驗壓力可達1.2 MPa，在實施過程中，對可能出現的安全隱患進行了仔細核查，確保各個環節施工滿足要求。③本工程水壓試驗前期制訂了詳細試驗方案和工程應急預案。