大口徑輸水壓力管道水壓試驗控制要點

吳 宏

(陜西省東莊水利樞紐工程建設有限責任公司，陜西 咸陽 713208)

1 工程概況

某工程管道為DN1600 2.5 MPa/1.6MPa 內自錨式球墨鑄鐵管，線路全長1560.46 m;全線共設計鎮墩12 個，空氣閥井4 座，泄水閥井3 座，檢修閥井1 座。該段管線起點樁號BG0+000 設計水壓線標高777.03 m，管道中線高程622.78 m;末點樁號BG1+560.46 設計水壓線標高768.17 m，管道中心線高程761.50 m。水壓試驗分兩段進行，樁號分別為:BG0-014.01～BG0+703.104(泵站5#檢修閥井～3-1#檢修閥井段);BG0+703.104～BG1+560.46(3-1#檢修閥井～16#鎮墩段)。

本文以BG0+703.104～BG1+560.46(3-1#檢修閥井～16#鎮墩段)段水壓試驗為例進行分析計算。

2 水壓試驗準備工作控制要點

2.1 水壓試驗條件檢查

管道水壓試驗應具備以下條件:①管道安裝檢查驗收合格;②除管道接口外，其余管道兩側及管頂以上0.5 m 高度范圍回填完成;③試驗管段所有敞口應封閉，且不得有滲漏水現象(本工程因管線空氣閥、排水閥等不能及時進場安裝，管道閥體位置均用盲板焊接封堵);④管道內雜物清理完成;⑤管道鎮墩、閥井施工完畢，且混凝土強度達到設計強度;⑥堵板、后背設計施工完成;⑦臨時排氣閥安裝完成。

2.2 試驗壓力確定

2.2.1工作壓力計算

BG0+703.104 處管道中心線高程(h1):705.39 m，水壓線標高(h2):772.94 m;BG1+560.46 處管道中心線高程(h1):761.50 m，水壓線標高(h2):768.17 m。

工作壓力P=ρg，即:BG0+703.104 處管道工作壓力為:0.68 MPa;BG1+560.46 處管道工作壓力為:0.07 MPa。

2.2.2試驗壓力計算

表1 壓力管道水壓試驗的試驗壓力 單位:MPa

BG0+703.104 處管道試驗壓力為:0.68+0.5=1.18 MPa;BG1+560.46 處管道試驗壓力為:0.07×2=0.14 MPa。

柏樹坬三級泵站至楊家山隧洞進口段管道段工作壓力最大位置為BG0+014.09(管道中心線高程h1:617.76 m，水壓線標高h2:776.80 m)，其工作壓力值為:1.59 MPa;試驗壓力為2.09 MPa。當BG0+014.09 試驗壓力達到2.09 MPa時，BG0+703.104 處管道壓力應為:2.09-0.88=1.21 MPa;BG1+560.46 處管道壓力應為:2.09-1.44=0.65 MPa。

考慮最不利情況，BG0+703.104 處管道試驗壓力確定為:1.21 MPa;BG1+560.46 處管道試驗壓力確定為:0.65 MPa。

2.3 堵板設計

管道水壓試驗堵板形式主要有:嵌入式、法蘭式、焊接式以及橢圓封頭。本工程堵板設計在確保安全的前提下，合理采用堵板形式，以有效控制堵板厚度，最終堵板采用井字筋焊接式堵板，堵板鋼材采用Q235 B(B 類)，加強筋形式見圖1。

圖1 堵板加筋平面示意圖

2.3.1堵板厚度計算

參考《鋼制化工容器強度計算規定》(HG/T 20582-2011)中帶加強筋圓形平板蓋設計和計算規定，堵板厚度計算公式如下:

式中: 為平板蓋厚度，mm;d為當量圓直徑，mm，取300 mm;P為堵板承受壓力(試驗壓力);[σ]t為堵板材料許用應力，Q235 B 許用應力113 MPa;C為厚度附加量，mm，為鋼板厚度負偏差(B 類取值0.3 mm)與腐蝕裕量(本項目暫不考慮)之和。

(1)隧洞進口段BG0+703.104 處水壓試驗堵板厚度計算如下:

(2)隧洞進口段BG1+560.46 處水壓試驗堵板厚度計算如下:

2.3.2堵板加強筋板計算

本工程筋板采用矩形截面，筋板采用Q235B 板材，其厚度與高度比為1∶5，加筋數量為10，筋板與平板蓋堵板之間采用雙面間斷的角縫焊接方式。假設作用于堵板上的荷載有筋板承受其一半時，筋板具體規格計算公式如下:

式中:1為加強筋板厚度，mm;W0為加強筋板抗彎截面模數。

式中:Di為與圓平板蓋相連接的道道內直徑，mm，本工程取值1600 mm;p為堵板承受壓力，MPa;n為加強筋板數量，本工程取值10;[ ]t為堵板材料許用應力，Q235 B 許用應力113 MPa。

(1)隧洞進口段BG0+703.104 處水壓試驗堵板加強筋板厚度計算如下:故本工程此位置堵板加強筋板厚度取值為42 mm，高度210 mm。

(2)隧洞進口段BG1+560.46 處水壓試驗堵板加強筋板厚度計算如下:故本工程此位置堵板加強筋板厚度取值為34 mm，高度170 mm。

2.4 后背設計

1)隧洞進口段BG0+703.104 位置以上游已安裝回填的管道段為靠背。靠背示意圖見圖2。

圖2 靠背示意圖

參考《給水排水工程埋地鋼管管道結構設計規程》(CECS 141-2002)和《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程》(CECS 142-2002)規范要求，已安裝回填管道單位長度摩擦力標準值公式為:

式中:Ffk為管道單位長度摩擦力標準值(kN/m);s為鋼管管道與土壤間摩擦系數，應根據試驗確定;當缺乏試驗資料，可采用0.25～0.4，本項目取值0.25。γs為回填土重度(kN/m3)，本項目取值19 kN/m3;D1為管道外壁直徑(m) ，本項目取值1.64 m;Hs為管頂覆土厚度(m)，本工程平均覆土厚度為1m;γw為管道內水重度(kN/m3)，本項目取值10 kN/m3;t0為管壁計算厚度，本項目取值20 mm。

隧洞進口段中BG0+703.104～BG1+560.46 段水壓試驗過程中已安裝回填(管頂以上50 cm)的管道BG0+000～BG0+703.104段并未充水，且BG0+536.20～BG0+703.104 段管道敷設方向一致(設計比降1%，摩擦力計算過程中忽略不計)，則利用該段作為下游水壓試驗后背的管道有效長度為166.904 m 時，且不考慮管道內水對摩擦力的影響。

水壓試驗后背BG0+536.20～BG0+703.104 段管道摩擦力為:

水壓試驗后背承受的推力為:F推=Fs=P r2=2431.62 kN式中:Fs為試壓管段管端承受的壓力，kN;P為試驗壓力1.21 MPa;r為管道內徑0.8 m。

經過核算f≥1.5F推(埋地鋼管管道抗滑穩定性抗力系數取1.5)，即:4396.52 kN ≥3647.43 kN。

故:利用已安裝回填(管頂以上50 cm)的管道BG0+536.20～BG0+703.104 段作為BG0+703.104～BG1+560.46 段管道水壓試驗BG0+703.104 樁號處后背方案可行。

2)隧洞進口段BG1+560.46 位置以臨近鎮墩為靠背。靠背示意圖見圖3。

圖3 靠背示意圖

參考《給水排水工程埋地鑄鐵管管道結構設計規程》(CECS 142-2002)規范，當采用重力式支墩抗推力時，支墩抗推力標準值計算公式為:

式中:Fk為支墩抗推力標準值，kN;Fpk為作用在支墩抗推力一側的被動土壓力標準值的合力，kN;Fep，k為作用在支墩迎推力一側的主動土壓力標準值的合力，kN;Ffk為支墩底部滑動平面上的摩擦力標準值，kN/m，Ffk=ΣG×Fc。

隧洞進口段中BG0+703.104～BG1+560.46 段水壓試驗計劃16#鎮墩后背暫不進行周邊回填，故在計算鎮墩抗推力時，不考慮主、被動土壓力對抗推力的影響。

根據鎮墩設計圖紙計算，16#鎮墩C20 混凝土總量為547.92 m3，鋼筋總重4.5 t。經簡化后，水壓試驗后背16#鎮墩抗推力公式為:

式中:ρ為混凝土密度，C20 混凝土密度取2400 kg/m3;V為鎮墩體積，m3，鎮墩體積為547.92 m3;m1為鋼筋重量，t，鎮墩鋼筋重量4500 kg;fc為鎮墩底部與砂礫石基礎間的摩擦系數，應根據試驗確定，當缺乏試驗資料時，可按現行國家標準《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2011)的規定確定，本工程取值0.4。

16#鎮墩抗推力為:Fk= (2400×547.92+4500)×10×0.4=5278.03 kN

水壓試驗BG1+560.46 樁號位置后背應承受的推力為:F推=Fs=P r2=1306.26 kN

經過核算Fk>1.5F推(鎮墩抗滑穩定性抗力系數取1.5)，即:5278.03 kN>1959.36 kN。故:利用臨近未進行周邊回填的16# 鎮墩作為BG0+703.104～BG1+560.46 段管道水壓試驗BG1+560.46 樁號處后背方案可行。

2.5 進水管路排氣孔及排水孔的設計

1)管道注水應從試壓管段相對較低處緩慢注入，因此進水管設置在BG0+703.104 樁號處，進水管采用DN100 無縫鋼管，可與試壓泵連接。

2)排氣孔應設置在試壓管段上游管頂和管中段高點位置，該段排氣孔設置在3-7#空氣閥井和BG1+560.46 樁號處堵板位置，排氣孔由DN50 無縫鋼管加裝3.0 MPa 閥門制作而成。

3)管道試壓水排放優先考慮分段自流排放，該段排水孔設置在該段管路3-3#泄水閥井和BG0+703.104 樁號處堵板位置，排水管采用DN100 無縫鋼管加裝3MPa DN100 球閥制作而成，以便于控制排水量。

2.6 設備選型

該段水壓試驗加壓采用多級加壓泵，其型號為D25-30，功率為22 kW，注水量為25 m3/h;壓力表選用彈簧壓力計，精度為0.25 級，量程為4 MPa，滿足規范要求。

3 預試驗階段

試驗管段在注滿水后，在不大于工作壓力條件下，按規范要求進行浸泡，浸泡時間大于24 h，浸泡結束后，進入預試驗階段。預試驗主要目的是在試驗壓力下檢查管道接口、配件等位置有無漏水、損壞現象。預試驗階段管道加壓采用分級加壓，根據壓力表規格型號，每級加壓值取0.2 MPa，每升壓一級穩壓10 分鐘，檢查有管道無滲漏、損壞現象，后背、支墩、堵板有無異常;若在升壓過程中出現彈簧壓力計表針擺動、不穩，且升壓較慢時，應采取排氣措施。試驗管段水壓分級升至試驗壓力穩壓30 分鐘，期間如有壓力下降可注水補壓，但壓力不得高于試驗壓力。

4 主試驗階段

壓力管道水壓試驗分為預試驗和主試驗階段，試驗合格判定依據分為允許壓力降值和允許滲水量值。

當選用允許壓力降值作為判定標準時，在試驗管段預試驗注水補壓結束，穩定15 min;當15 min 后壓力下降小于等于規范允許壓力降數值(允許壓力降數值見表2)，再將試驗壓力將至工作壓力并保持恒壓30 min，進行外觀檢查。

表2 壓力管道水壓實驗的允許壓力降 單位:MPa

當選用允許滲水量值作為判定標準時，在試驗管段預試驗壓力升至試驗壓力后開始計時，每當壓力下降，應及時向管道內補水，但最大壓力降不得大于0.03 MPa，保持管道試驗壓力恒定，恒壓延續時間不得少于2 h，并計量恒壓時間內補入試驗管段內的水量。實際滲水量(W為恒壓時間內補入管道的水量，T為從開始計時至保持恒壓結束的時間，L為試驗管道長度)，經計算實際滲水量應小于等于允許滲水量。

表3 壓力管道水壓試驗的允許滲水量

球墨鑄鐵管管道內徑Di≥1400 時，管道水壓試驗允許滲水量g=0.1Di，本工程球墨鑄鐵管管道內徑Di=1600，即:允許滲水量q=4 L/(min·km)。

5 試驗結果判定

壓力管道水壓試驗合格判定依據分為允許壓力降值和允許滲水量值，若設計無要求時，可根據工程實際情況，選用其中一項指標作為試驗合格的最終判定依據。本工程選用允許壓力降值作為水壓試驗合格判定指標，經試驗BG0+703.104～BG1+560.46 段球墨鑄鐵管試驗壓力降為0 MPa，小于允許壓力降值0.03，故該段管道水壓試驗合格。