高覆土埋管减荷技术研究

2013-10-30李向东

山西水利科技 2013年3期

李向东

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原030024）

“十二五”是我国全面建成小康社会的攻坚时期，水利作为新形势下我国优先发展的重点领域，面临着前所未有的机遇和挑战。随着政府对水利工程投入力度的不断加大，越来越多的管线调水、引水工程开始建设，这些工程具有线路长、管径大、地质条件复杂等特点。尤其是在我省多变的地形条件下，管线纵断面起伏较多，管道覆土变化频繁，增加了工程设计、施工难度和工程投资。本文结合山西禹门口提水东扩工程和山西万家寨引黄北干工程，从设计角度提出了管线局部地段高覆土解决方案。

1 管道土压力计算理论

根据Marston土力学理论成果，作用于地下管道上的土荷载大小受管顶填土高度和埋设方式等因素影响。回填方式确定了管道正上方土柱相对于周围土体的位移方向和大小。按管道回填方式和土压力不同，管道主要分为上埋式、沟埋式及减压沟槽。

上埋式是先在原状地面上构筑管道，然后覆土夯实，常用于渠道、堤防及公路下方的管道；沟埋式是在埋管前先挖沟槽，然后布管、回填土料并分层夯实，多用于原状土质较好的地带，视各种条件可开挖成直壁的矩形槽或放坡的梯形槽等；减压沟槽是在沟埋式的基础上，在管顶正上方虚填或者回填压缩量较大的土体，利用管道正上方土柱与相对邻近土体的位移产生的摩擦力或剪力抵消一部分的土重，以实现减压的目的。在工程应用中，沟埋式较为常见，减压沟槽形式有利工程安全，本文进行重点介绍。

1.1 沟埋式

沟埋式是在被动土和未扰动土体中的较狭窄沟槽内铺设管道，并回填土至原地面。由于管道上方的回填土将向下沉降，产生滑动面，假设这个滑动面即为回填土与原状土的分界面。这个滑动面上存在着因相对滑动产生的摩擦力，其方向与相对滑动方向想反。因此，管道上部的竖向土压力荷载，应为回填土重力减因相对滑动产生的摩擦力。其土压力计算公式可采用美国供水协会M9手册计算，见下式及图1。

图1 沟埋式管道横断面图

式中：Wd——沟槽回填荷载，kN/m；

Cd——沟槽荷载系数；

w——回填材料容重，kN/m3；

Bd——管道顶部沟槽宽度，m。

H——管顶以上填土厚度，m；

K——郎肯主动土压力系数

由计算公式知，管道承受的竖向土压力与管顶处的沟槽宽度成正比。随着沟槽宽度的增大，管道承受的竖向土压力逐渐与上埋式相同。因此，针对埋深较大的管道，应控制开挖沟槽宽度为满足施工和安全要求的最小值。

1.2 减压沟槽

根据沟埋式管道的受力分析，采用在管顶回填高压缩性土体，利用因管顶土体相对向下滑动的使周围土体对其产生的向上的剪力或摩擦力，抵消一部分土体自重，形成减压沟槽，实现降低管道竖向土压力的目的。其土压力计算公式可采用美国供水协会M9手册计算，见下式。

式中：Wi——减压沟槽回填荷载，kN/m；

Ci——沟槽荷载系数；

w——回填材料容重，kN/m3；

Bc——管道顶部沟槽宽度，m；

H——管顶以上填土厚度，m；

He——管顶以上等沉降面高度，m；

K——郎肯主动土压力系数。

由减压沟槽铺设的管道，管顶土压力小于正常施工的管道。设计时，可在埋深较大地段设置，以保证工程安全和降低工程投资。

2 减压沟槽的施工方法

我国管道管线工程，大部分采用梯形断面，与上文中的沟埋式和减压沟槽管横断面不同。为便于工程施工，保证施工安全，提高施工的连续性，减压沟槽管段可采用与上下游管道相同的梯形开挖断面，回填过程中保证压实度。完成回填后，重新竖直挖除管顶正上方的土体，并以松散的可压缩的材料松散的放入沟槽，如植物秸秆、锯末、EPS材料等。横断面见图2、图3。