浅析影响地下管道系统设计的因素

贺彩丽

[摘要]：介绍了埋地管道设计工作中要注意的制约因素。并详细阐述了这些制约因素对地下管道的影响。

[关键词]：地下管荷载因素

一、概述

今天，地下管道被广泛应用于各种工程，如污水管、雨水管、给水管、煤气管、电话、电力、涵管等。工程师和规划师们也认识到地下基础设施对现代社会是绝对必需的。确实，我们现在所有的工程都必须“先地下”、“后地上”。而作为隐蔽工程的地下管道系统必须设计得可以长期使用，一般设计寿命应当是最少50年，但是，政府在50年内一般也没有能力来置换所有全部地下管道基础设施，所以现在的设计应当考虑至少100年的设计寿命。那影响地下管道使用寿命的评价因素就是设计工程师的责任了。

二、影响地下管道的因素

管道材料制造商保证其产品没有缺陷的前提下，土压力［1］、纵向荷载、活荷载、土壤沉降、升温荷载［1］、地震荷载、冰冻荷载、膨胀土引起的荷载、上浮、土壤承载、内部真空、施工安装等都是影响地下管道的使用寿命的因素。而施工安装在相应专业的设计规范和地方规程中都有详细的规定，这里就不做阐述。而对其前面几个因素，在实际工程中一贯被忽视，但对于整个城市管道规划又极其重要，浅析如下：

1. 土压力

地下管道任务确定后设计工程师往往要沿着选定管线作一次土壤调查，确定是否需要用外来土置换管道四周土壤，土壤的参数如土壤种类、土壤密度、土壤劲性（模数）[1]等设计中都是要考虑的。施压在埋地管子上的荷载即土压力取决于管道结构及周围土壤的劲性，而高土壤密度将保证高土壤劲性。管子劲性与土壤劲性之比在很大程度上决定施加于管道上的荷载，放置在管道区内的土壤应能保持规定的土壤密度。此外，为消除应力集中，土壤应均匀投放，并围绕管子夯实。

2. 纵向荷载

一般在地下管道承受竖向土荷载的同时，使管内产生轴向弯曲的还有其他外力，如纵向荷载产生轴向挠曲和弯梁作用力。其产生的主要原因有：（1）不均匀的管座支撑。不均匀垫层可能产生于地基材料不稳定，超挖引起不均匀沉降和不均匀夯实，及底部冲刷，例如土壤受侵蚀，冲入河水，或污水沟漏水等。想要减少这种作用力的影响，可以利用柔性管的优点就是有能力变形，把集中外力躲开。采用柔性接口增强了管道顺应这种外力的能力，减低断裂危险。这些优点，再加上工程优质，安装正确，既可避免柔性管道受轴向弯曲而遭致失败。（2）不均匀沉降，管道刚性连接于检查井或其他结构物，发生不均匀沉降，不仅会引起很大的弯矩，也会引起剪力。当结构物和/或管子彼此相对侧向移动时，这些力和弯矩就形成了。所引起的应力在数量上很难求得，只有在设计和施工时，做好对管道和结构物的基础和垫层；做到消除不均匀沉降或使其降低到最小值。（3）地面移动。某些类土壤（大多数为膨胀土）受含水量的影响，这种土壤随湿度变化而有季节性的上升和下降。有效的做法就是不使管子直接埋置在这种土壤中。但可能这种邻近土壤的移动影响管线，通常情况下这种移动是小规模的，但可能大到影响管线的运作。对刚性管为了减轻这种不良影响，采用短管和柔性接口。对柔性管，管子本身的柔性即可适应这种移动。不会在结构上引起破坏。这个因素的影响下，纵向柔度和环向柔度都很重要。

3．活荷载

土壤表层上重荷载的作用，例如公路运输、铁路、埋管上得建筑物，常在设计中规定管上最小覆土厚度来控制 ，这样的规定在相应的给排水、电力、燃气的管道设计规范中都有详细的规定。但表层荷载具有冲击性时，例如车轮在不平整路面上的冲击，应加上冲击因数。对于输气和输液管线，通常是采用最小覆土，必要时考虑管道加固。而近代空港设计活荷载都是很大的，在设计跑道下埋管的活荷载时，冲击因数取1.0，原因是飞机降落时部分荷载被机翼承担了。对停车场、停机坪等，冲击因数必须考虑，一般要进行相关资料的调查。

4.土壤沉降

一般在坚实土壤中埋设管道，只要保证土壤没有变形，土壤的沉降可以不必考虑。当天然土壤存在着潜在可能沉降时，埋设管线要进行分析评价，土壤的移动作用到埋管上时，或是通过土壤的弹簧作用，或直接使管子向梁一样随着土壤的高低而变形，考虑其应力或应变。

5.升温荷载

一般情况下埋管内的介质和周围土壤的温度没有太大差异，在这种情况下，管与土之间没有或只有很小的膨胀和收缩，就不需要做温度设计分析，当流体是热或凉的情况下，管子膨胀受周围土壤的约束时，就会产生应力，需要通过详细的计算来考虑温度引起的具体挠曲应力。

5.地震荷载

是指在某些危险地带，大规模的地动伴随着地震对管线可能起巨大破坏作用，这种危险地区原本是高活动发生带，例如断层带，土壤剪切面，或是管子伸进构筑物的过渡段。还有些是地震时土壤液化及埋管上浮。一般，地下管道的破坏率基本上随着地震烈度(地震加速度幅度)的增高而增大；但场地的影响也非常明显。1976年唐山地震灾损调查和国外其他灾损资料表明，一般情况下地下管道平均破坏率在坚硬场地较小，在柔软场地最重[2]。不均匀场地中的管道，其灾损率明显高于均勻场地。当公称管径为75～500mm时，加大管径可以提高管道的抗震可靠度：当公称管径大于500mm时，管径的增加不会提高管道的抗震能力。柔性接口的灾损率明显低于刚性接口；断层对通过其埋设管道的影响巨大；管道与附属设备或建筑物的连接部位因两者动力特性不同，出现大量破坏。由此，大多数地埋柔性管线可经受住地震。比较柔性的管材结合柔性接头，能适应地动而免遭破坏。经过地震波的通过（瞬间地面变形）[1]和经过地面的永久变形[1]都是影响地震中埋管是否完整的重要因素，所以工程师在地震多发带的工程设计中，一定要利用高科技计算机对于管子和土壤的有限元模型进行分析，也要充分考虑到地动所引起的影响，从实际地震中学习知识，最终对埋管进行成本效益的决策。

6.冰冻荷载

是指当冷冻空气持续若干小时时，浅层湿土即结出冰层或透镜体[1]。冰冻往下延伸，又有小体积的水结冰。这种冻结使土壤干燥，因为此时水再也不能满足土壤中的毛细作用。因此，地下水从冻层以下范围内被毛细作用吸收到较低势位区。这些水达到动层时也会冻结，这个过程将继续下去，直到平衡为止。已冻结层下的冰冻所产生的压力，是由于冰的膨胀。这项膨胀压力会大大增加埋管上的垂直荷载。但设计人应知道，由于冰胀的延伸，荷载的增加对柔性管即不太明显，而对于刚性管可能增加荷载。所以设计时应当考虑季节性冻土地区管道埋深和土质状况。

7.上浮因素

是指埋管一般埋在地下水位以下，深覆土可以防止上浮，但在浅覆土情况中，可能需要用压块、重物等防止上浮。管上的钢筋混凝土铺装可以帮助抗浮，压板必须锚固。如填土为颗粒土且被夯实，则上浮管道必然会抬升土锲[1]。倘若管子的上浮力超过管重及土锲有效重时，必须用锚栓来遏止上浮。

三、结论

如今的城市管道规划承载着百姓的生活质量，几乎所有的地下管道都是城市正常运作的生命线，所以作为地下管道工程师在设计埋地管道时一定要注意以上诸多外界和内在的制约因素，用工程科学来设计这些管道。

参考文献

［1］《Watkins,R.K.,and L.R. Anderson》2000

［2］ 李杰.生命线工程抗震基础理论与应用[M].北京：科学出版社，2005.