大管徑長(zhǎng)距離拼裝鋼波紋管在山洪防治工程中的應(yīng)用

張 璐，劉淵博，阿懷瑾

（中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

排洪管涵作為排洪工程中常見構(gòu)筑物，大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，存在施工周期長(zhǎng)、地基適應(yīng)性差等缺點(diǎn)[1]。近年來，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迅速發(fā)展，一些新的工藝正在逐漸發(fā)展，其中鋼波紋管涵作為一種新型的材料結(jié)構(gòu)，在排水工程中的應(yīng)用越來越廣泛。相比傳統(tǒng)管涵結(jié)構(gòu)，鋼波紋管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、施工速度快，建設(shè)周期短，現(xiàn)場(chǎng)安裝不需要大型設(shè)備，運(yùn)輸安裝方便，對(duì)基礎(chǔ)氣候條件要求不高，用在工程建中存在軟土、凍土、濕陷性黃土、膨脹土等不良地質(zhì)條件下可起到較好的效果[2]。

目前鋼波紋管在公路涵洞中應(yīng)用較多，在水利工程中鮮有應(yīng)用[3]，但由于公路工程排水涵洞普遍具有線路直，長(zhǎng)度短、無分支、過水時(shí)間短、防滲要求不高等特點(diǎn)，較少遇到長(zhǎng)距離管道中不均勻沉降、管道轉(zhuǎn)彎或與分支銜接、防滲要求高等問題。本文通過介紹大管徑、長(zhǎng)距離、拼裝鋼波紋管在山洪防治工程中的設(shè)計(jì)情況，對(duì)大管徑、長(zhǎng)距離鋼波紋管在不均勻沉降、防水性能、管件及連接方式、輔助設(shè)備等方面進(jìn)行了更進(jìn)一步的論述，希望加強(qiáng)對(duì)鋼波紋管在水利工程中應(yīng)用的研究，并為這種管材在水利工程中的應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

某工程位于陜西省北部某城市，項(xiàng)目區(qū)周邊低山環(huán)抱，降水具有年際變化大，年內(nèi)分配不均的特點(diǎn)，降雨集中于夏季且多陣雨、暴雨，容易形成山洪災(zāi)害，為了保證項(xiàng)目區(qū)防洪安全，工程設(shè)計(jì)沿周邊山體修建截洪渠道將周邊洪水收集，收集后的洪水通過兩根排洪管道排泄至下游湖體中。排洪管道最長(zhǎng)為2.17 km。最大設(shè)計(jì)流量為56 m3/s。管道沿線地質(zhì)條件為人工整平壓實(shí)溝道，排洪干、支渠以壓實(shí)填土為主，壓實(shí)填土層層厚7.50～15.60 m。

2 管材選擇

工程設(shè)計(jì)結(jié)合水文、地形條件，進(jìn)行了過流能力計(jì)算，通過計(jì)算確定排洪管道設(shè)計(jì)管徑為3.5 m。滿足要求的排水管道有鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、鋼波紋管。鋼筋混凝土管與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管有管道耐壓性強(qiáng)、糙率小，管件連接技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但管道重量大，管道施工需要吊裝，工程區(qū)為人工回填地基，管槽需采用混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸大，工程量大，工程投資高；鋼波紋管強(qiáng)度高，耐壓性強(qiáng)，3.5 m 以上同等管徑價(jià)格較混凝土管低，經(jīng)比較，采用鋼波紋管較采用鋼筋混凝土管每延米綜合單價(jià)節(jié)省約40%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。鋼波紋管對(duì)復(fù)雜地形能力適應(yīng)性較強(qiáng)，管道重量輕，運(yùn)輸方便，可現(xiàn)場(chǎng)拼裝，施工簡(jiǎn)單快速。因此，選擇鋼波紋管。

3 管道設(shè)計(jì)

3.1 管徑選擇

通過前期咨詢與市場(chǎng)調(diào)查，滿足本工程設(shè)計(jì)覆土厚度的鋼波紋管基本有兩種，管徑不大于3.0 m，管道為整體型管道，管徑大于3 m，管道為拼裝管道。本次采用3.0、3.5、4.0 m三種管徑比選，確定滿足過流能力且經(jīng)濟(jì)的管徑。

干管管道長(zhǎng)2.17 km，管道底坡比降為0.04～0.06，目前在水利行業(yè)尚無鋼波紋管設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)中參考了部分省份公路工程行業(yè)的地方標(biāo)準(zhǔn)，管道糙率取0.033。根據(jù)工程布置干管上設(shè)置了調(diào)蓄水池且沿途有支管匯入，管道過流能力計(jì)算采用涵洞過流能力計(jì)算公式，根據(jù)每段管道流量、洞徑、洞前水位、洞長(zhǎng)、比降等判斷管道內(nèi)流態(tài)，從而選擇不同公式進(jìn)行過流能力試算。

通過計(jì)算分析，采用3.0 m 管徑計(jì)算時(shí)管道為有壓過流狀態(tài)，過流能力不滿足，采用3.5 m與4.0 m管徑計(jì)算時(shí)，管道為無壓流狀態(tài)，可滿足過流能力且滿足管道過流斷面凈空面積不小于15%的要求，所以選擇管徑為3.5 m。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參考《公路波紋鋼涵洞技術(shù)規(guī)程》（TCECSG：D66-01-2019），計(jì)算時(shí)首先計(jì)算管頂荷載產(chǎn)生內(nèi)力；然后按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行作用效應(yīng)組合，計(jì)算最不利效應(yīng)組合；初步選取合適的波形及鋼波紋管，根據(jù)鋼波紋管規(guī)格參數(shù)計(jì)算鋼波紋管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗壓承載力；根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞條件進(jìn)行驗(yàn)算，判斷強(qiáng)度要求是否滿足承載能力的要求，若滿足則選定的波形及鋼波紋管滿足要求，若不滿足在重新選取合適的波形及鋼波紋管，進(jìn)行以上計(jì)算。

3.2.1 內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)《公路波紋鋼涵洞技術(shù)規(guī)程》（TCECSG：D66-01-2019），鋼波紋管道內(nèi)力應(yīng)考慮管頂永久作用、可變作用、地震作用產(chǎn)生的管壁壓力。本工程管道上部?jī)H有覆土，覆土厚11 m，管道上不過車，無活荷載，不考慮可變作用，工程區(qū)地震烈度為Ⅵ，不考慮地震作用，管頂設(shè)計(jì)壓力只考慮永久作用，即上部填土產(chǎn)生的管道壓力。

管壁壓力按式（1）、（2）計(jì)算：

式中：FG為永久作用產(chǎn)生的每延米管壁壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；kf為考慮結(jié)構(gòu)起拱效應(yīng)的土壓力增大系數(shù)，取1.25；W為拱上填土每延米的重量，kN/m；Cs為考慮回填土性質(zhì)與結(jié)構(gòu)尺寸的軸向剛度參數(shù)；Es為土體壓縮模量，MPa；E為波紋鋼材料的彈性模量，GPa；dv結(jié)構(gòu)的豎向計(jì)算直徑，m；A為每延米波紋鋼截面面積，m2/m。

經(jīng)計(jì)算，管壁壓力γG,G為584.13 kN。

3.2.2 最不利效應(yīng)組合

承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮多種作用效應(yīng)的組合，并取最不利效應(yīng)的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

式中：Ed為設(shè)計(jì)作用效應(yīng)組合；γG、γQ、γE、分別為永久作用、可變作用、地震作用組合系數(shù)；G為永久作用；Q為可變作用；Eu為豎向地震作用。

管道實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段無可變荷載，不考慮地震作用，所以只考慮永久作用，Ed=γG,G=584.13 kN。

3.2.3 極限承載狀態(tài)下的管道設(shè)計(jì)抗壓承載力

選用波形參數(shù)200 mm×55 mm，壁厚6 mm的鋼波紋管。波紋管截面積7.1 mm2/mm，慣性矩2766 mm4/mm，回轉(zhuǎn)半徑19.7 mm。

管道的設(shè)計(jì)抗壓承載力可按式（5）～（9）計(jì)算：

式中：Ru為波紋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗壓承載力，MPa；I為每延米波紋鋼截面慣性矩，m4/m；r為波紋鋼結(jié)構(gòu)的曲率半徑，m;re為等效半徑，m；k3為結(jié)構(gòu)屈曲應(yīng)力折減系數(shù)；fy為波紋鋼材料的屈服強(qiáng)度，235 MPa；k5為波紋鋼結(jié)構(gòu)管壁與相鄰?fù)馏w的相對(duì)剛度系數(shù)；i為波紋截面的回轉(zhuǎn)半徑，m；k6為從管頂至管側(cè)土體剛度變化系數(shù)；Esm為土體平均壓縮模量的修正值，MPa；H為結(jié)構(gòu)填土高度，m；H˙為起拱線到拱頂之間豎直距離的一半，m；rt為結(jié)構(gòu)拱頂處曲率半徑，m；k7為計(jì)算管壁相對(duì)剛度k5的系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，波紋鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗壓承載力Ru為

174.15 MPa。

3.2.4 結(jié)構(gòu)破壞驗(yàn)算

當(dāng)計(jì)算的管壁應(yīng)力小于鋼波紋管設(shè)計(jì)抗壓承載力或波紋鋼材料的屈服強(qiáng)度的最小值的80%時(shí)，認(rèn)為所選管道規(guī)格滿足設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)破壞驗(yàn)算可根據(jù)式（10）進(jìn)行：

式中：?c為抗壓承載力的材料抗力系數(shù)，取0.8；F為運(yùn)營(yíng)階段波紋鋼截面承受推力組合值，取組合值（γG,G,γQ,Q）、（γG,G,γE,Eu）的最大值，即F=γG,G=584.13 kN。

3.3 基礎(chǔ)沉降設(shè)計(jì)

本工程單根管線最長(zhǎng)達(dá)2.16 km，工程區(qū)管道基礎(chǔ)為人工整平壓實(shí)溝道，雖然鋼波紋管適應(yīng)變形能力強(qiáng)，但考慮到人工壓實(shí)溝道施工回填過程中存在壓實(shí)不均勻的問題，會(huì)導(dǎo)致管道產(chǎn)生不均勻沉降，引起管道變形，對(duì)管槽進(jìn)行了一定處理。首先，對(duì)管道基礎(chǔ)進(jìn)行處理，管溝開挖后，對(duì)管溝進(jìn)行夯實(shí)處理，管道底部鋪設(shè)0.7 m 厚3∶7 灰土墊層，灰土分層夯實(shí)，壓實(shí)度不小于0.95，上鋪0.3 m的粗砂墊層，粒徑不大于12 mm，管槽采用開挖土回填。在鋼波紋管與蓄水池、消力池等大型混凝土構(gòu)筑物連接部位、基礎(chǔ)地層巖性不一致部位、開挖回填分界線處設(shè)置了伸縮裝置。但是由于目前類似工程中使用伸縮裝置較少，缺乏對(duì)鋼波紋管伸縮裝置效果的使用研究，下一步將進(jìn)一步研究不同伸縮裝置的防沉降性能。

3.4 防水設(shè)計(jì)

拼裝鋼波紋管防水主要是從管片安裝方式和采用密封材料控制。在以往鋼波紋管使用經(jīng)驗(yàn)中，拼裝鋼波紋管防水結(jié)構(gòu)為搭接式防水結(jié)構(gòu)（見圖1），其組裝形式為將兩片波紋板重疊在一起，使用螺栓將兩片板穿接在一起，在這個(gè)過程中，板片間的縫隙、穿透板片的通孔，以及螺栓與孔間的間隙，均為滲水漏水的可能出現(xiàn)點(diǎn)。這種連接方式中主要滲漏點(diǎn)為環(huán)向搭接縫處，出現(xiàn)滲漏主要原因?yàn)槿嵝缘鼗诨靥钔瓿珊蟮膸讉€(gè)月內(nèi)出現(xiàn)不均勻沉降，造成部分位置搭接縫受拉伸作用，部分位置受擠壓，螺栓不再位于原有的位置，導(dǎo)致密封材料偏差，出現(xiàn)滲漏點(diǎn)。

圖1 搭接式防水結(jié)構(gòu)

外翻邊法蘭工藝是法蘭與鋼波紋管板片為一個(gè)整體，法蘭高70 mm，板片通過螺栓緊固。采用這種連接方式，螺栓沒有穿透波紋板的內(nèi)外壁，環(huán)向成為單一的線滲漏，沒有點(diǎn)滲漏的存在，即使擠壓或拉伸，也不會(huì)造成螺栓在孔內(nèi)移動(dòng)。本工程采用外翻邊法蘭工藝連接鋼波紋管，此外，在管節(jié)與管節(jié)之間、管箍與管節(jié)之間、法蘭盤之間以及搭接的鋼波紋鋼板件之間采取密封措施，接縫處設(shè)密封條，并涂密封膠，管道外壁設(shè)一道防水布，防水布采用金屬鋁箔自粘防水材料（見圖2）。

圖2 外翻邊法蘭工藝防水結(jié)構(gòu)

3.5 轉(zhuǎn)角及連接設(shè)計(jì)

拼接鋼波紋管無預(yù)制管件，工程中遇到管徑變化、分岔等銜接段需要定制變徑管、三通等管片。工程設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際搭接后的單節(jié)有效長(zhǎng)度設(shè)置轉(zhuǎn)彎半徑并將管道分為多段單節(jié)管道，再由螺栓將多個(gè)單節(jié)管道上法蘭片緊固后連接成整體，一般單節(jié)管道有效長(zhǎng)度小于1.15 m。此外，為避免轉(zhuǎn)彎段水流沖擊管道使法蘭連接處受拉變形，可在轉(zhuǎn)彎段設(shè)置鎮(zhèn)墩，減少管道水平向位移。

4 結(jié)語

目前鋼波紋管在水利工程中應(yīng)用較少，無行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范，但鋼波紋管在實(shí)際工程中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)將促進(jìn)它在水利項(xiàng)目的應(yīng)用和推廣。本文設(shè)計(jì)采用的鋼波紋管為大管徑、長(zhǎng)距離、拼裝鋼波紋管首次在城市山洪治理中的應(yīng)用，通過采用鋼波紋管，工程建設(shè)投資減少、工程周期縮短。鋼波紋管在本水利工程中的成功應(yīng)用，可以為類似項(xiàng)目提供參考。