長距離深槽大口徑沉管運營期排水受力分析

路 佳

（南寧建寧水務投資集團有限責任公司，廣西 南寧 530031）

0 引 言

隨著我國經濟的增長以及城市化的推進，市民對于生活用水的要求越來越高。為保障城市用水的質量與安全，不少城市都修建了第二水源地工程，通過輸水管線將清潔的水資源輸向城市。沉管法施工具有施工周期短、工程造價低、技術成熟等優勢，因此是敷設河底管線時的一種常用的施工方法[1-5]。

由于大口徑沉管法輸水管線位于水下，很難從外部進行維護保養，因此通常需要先將其排空，然后再由操作人員進入并進行修理維護[6-9]。在浮力的作用下，管線會發生上浮，其結構受力和變形也將發生變化，為操作人員和管線自身帶來一定的安全風險。為了定量地研究管線在排水維護過程中受力變形的變化，本文建立了包含管線和河底地層的有限元模型，并對大口徑整體沉管的排水過程進行了模擬，為實際工程提供理論參考。

1 工程概況

廣西南寧市邕江上游引水工程一期輸水管線工程需要穿越邕江，向河南水廠以及凌鐵水廠輸送原水。經方案比選與專家論證，最終采用水下深槽沉管施工方案，保證了邕江兩側岸堤的穩定性與抗滲性，大幅降低了管線的施工費用。

邕江水位的絕對標高在67 m 左右，跨江管線長度為438 m，采用一根φ2 620 mm×28 mm 鋼管。采用了水下溝槽開挖、管道焊接預制、整體管道下沉安裝的施工方法。為了滿足管道抗浮與防沖刷要求，管道覆土深度達到了4.5 m。為了節約施工時間及溝槽開挖量，沉管管道沿河道地形呈“V”字形布設，最低點絕對標高為39 m，沉管縱斷面布置見圖1。邕江河床主要以圓礫為主，為了防止管道檢修過程中，空管因為浮力而發生上浮，采用粒徑15～40 mm 砂礫石回填，并用石籠覆蓋，具體回填做法見圖2，回填后管道覆土厚度大約為2 400 mm。

圖1 水下管道縱斷面圖

圖2 下管道橫剖面圖

2 有限元計算

2.1 有限元模型基本參數

為了研究排水對管道受力變形的影響，選取了河床底部20 m 長的管線與地層，建立如圖3 所示的三維有限元模型。地層分為河床和回填石塊兩部分，采用實體單元建立，開挖坡度為1∶3。如表1 所示，河床的地層主要為圓礫，彈性模量按照地勘報告中的壓縮模量選取，回填石塊為粒徑15～40 mm 的砂卵石，按照與圓礫相同的材料參數選取。沉管為直徑2 600 mm 厚度28 mm 的鋼管，本文中采用殼單元進行模擬。

圖3 有限元計算模型

表1 材料參數表

在模型頂部設置250 kPa 水壓力，用以模擬河道表面的水壓力。輸水管道內壁的水壓力按照靜水壓力來考慮，每一節點上的壓力與其深度呈正比。通過減小其管道內部的水頭高度來反映維修過程中鋼管排水的過程，本文共計算了管內水頭為30 m、24 m、18 m、12 m、6 m 以及0 m 的6 個工況。當鋼管內水頭為零時，表示鋼管已經排空，浮力達到最大。

2.2 有限元計算結果

（1）管道上浮位移

圖4 是管道排水結束后的豎向位移，管內壓力減小使管道直徑縮小。當水頭高于管頂時，管內水壓力的變化并不會引起管道中心的位移變化，當水頭降至管頂以下時，管道在浮力的作用下出現向上位移。當管內水完全排空，鋼管中心整體上浮量達到2.21 mm。

圖4 管道頂部上浮量

（2）鋼管壁應力變化

圖5 為管內水頭為0 m 時每延米鋼管壓力分布，最大壓力主要分布于鋼管左右90°位置，最大壓力為每延米1 134 kN。鋼管壁厚為28 mm，可以得到各工況下鋼管的壓應力變化，見圖5。鋼管在上覆土的作用下呈受壓狀態，內水壓作用下會使管壁產生環向拉應力，從而抵消一部分壓應力。如圖6 所示，隨著管內水頭高度由30 m 降低至0 m（即空管），管壁的最大壓應力明顯增大，由24.75 MPa 升高至37.64 MPa，能夠滿足設計要求。

圖5 輸水管道最大壓力（單位：N/m）

圖6 管壁最大壓應力隨管內水頭變化

（3）鋼管壁附加應力計算

以30 m 水頭時的管壁壓應力為基礎，繪制出各水頭高度對應的管壁附加應力，見圖7。

圖7 管壁附加應力

可以通過內水壓變化量來計算出管壁附加應力：

式中：Δp0為排水引起的鋼管內壁附加應力；Δpw為鋼管內平均水壓變化；D 為鋼管直徑；t 為鋼管壁厚。

從圖7 中，可以看出采用式（1）計算出的鋼管附加應力與有限元計算結果基本一致。

3 結 論

本文以邕江輸水管線為例，采用有限元方法建立了河底輸水管線和周邊地層的力學模型。通過對沉管管道內壓的調整，模擬了該段水平管線的排水維護過程。重點分析了管內水位對管線環向受力以及豎向位移的影響，為保障管線運營階段安全提供了理論依據與參考價值。本文所得到的主要結論如下：

（1）當水頭高于管頂時，管內水位對管線豎向位移影響較小。當管內水位低于管頂標高時，隨著水位的降低管線出現上浮趨勢。

（2）管線在排水過程中，管壁環向以壓應力為主。隨著管內水頭的降低，管道所受浮力明顯增加，使管壁壓應力增大。當管內水完全排空時，鋼管應力達到最大，能夠滿足設計要求。