严寒沙漠地区倒虹吸伸缩节异常变位原因分析

木拉提·斯依提汗

（新疆额河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

严寒沙漠地区倒虹吸伸缩节异常变位原因分析

木拉提·斯依提汗

（新疆额河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

文中结合北疆供水工程倒虹吸钢管个别伸缩节的过大变位问题，根据观测数据分析结果，探讨在严寒地区引起钢管道套管式伸缩节不良变位状态的几种原因及预防措施。观测及分析结果表明，严寒地区引起倒虹吸伸缩节异常变位的最主要因素为环境温差，两侧管壁日照射量的较大相差引起伸缩节相应管道段的长久挠曲变形，进而导致伸缩节的扭曲变位。

钢管；套管式伸缩节；线膨胀；异常变位

1 工程概况

1.1 钢管段

该倒虹吸管线长10.6 km，进、出口水位差28.48 m，管材采用预应力钢筒混凝土管道（简称PCCP）与钢管道组合方案，工作压力小于1.4 MPa段为PCCP管道，采用单沟双管的埋设方式。工作压力大于1.4 MPa段为钢管道。钢管采用单沟双管的明管布置方式，钢管内径2.7 m，单线管长3.18 km，自东北至西南走向（与南北方向呈35°夹角），沿线左右向无拐点，竖向设5个拐点，双管中心间距为5 m。钢管设计压力等级为1.7 MPa，管壁厚度26 mm。支承环采用双腹板，支撑系统采用滚动式支座。钢管段100 m设置一座镇敦，每座镇敦下游侧紧靠镇敦安装一个套管式伸缩节，6 m设一座支墩，沿线共有2×32个镇墩，2×381个支墩。

伸缩节选用设计压力为1.7 MPa，伸缩量150 mm，角变位 α≤5°，径向变位△≤50 mm，既满足轴向伸缩位移、又能满足一定的挠曲度和偏位量的台湾地区引进的双法兰套筒式伸缩节，其布置在每座镇敦下游一侧，沿线共有2×31个。

1.2 水文地质情况

倒虹吸所处位置属于具有典型沙漠气候特征的北方严寒地区（最冷月平均气温低于-10℃），多年平均气温4.3℃，极端最高气温40.6℃，极端最低气温-41.7℃，白天气温高，夏季达40℃余度，晚间气温低，昼夜最大温差大于30余度，年最大温差82.3度；管线跨越第三系砂岩、泥岩及沙漠风积砂两种地层，地质条件不均一，地基条件相对较差。

2 伸缩节状态观测

2.1 伸缩接运行状况

该倒虹吸钢管段9+325桩号左、右管道伸缩节分别安装左右及上下部位4支变位测缝计，能够持续自动化观测该处左、右管道2个伸缩节变位状态。倒虹吸正式投入运行以来钢管段沿线大部分伸缩节变位情况与9+325处伸缩节自动化观测数据基本相符。变位均属于轴向伸缩，横向变位幅度均较小，均在允许可挠度范围之内，工作状态良好（横向变位最大幅度1.5°，最大挠曲角度-2.11°）；但在倒虹吸运行期间发现，钢管段左、右侧管线伸缩节工作状态具有较大的不同特点，并钢管段左侧管线（东侧管线）16号、26号、28号、29号镇墩处伸缩节横向变位异常加大，甚至呈现出扭动变形，随着运行时间的推移，钢管个别伸缩节异常变形更为突出，由此，管理单位自2008年起对这些伸缩节开始进行人工观测，到2009年5月底26号最大实测挠曲变形角度达到4.98°，基本接近5°的极限值。

2.2 伸缩节挠曲角度与时间关系

9+325 正常工作伸缩节与各异常变形伸缩节在一年时间内的偏转角度变化情况见图1、图2（正值表示伸缩节器体往管道右侧偏转，负值表示往左侧偏转）。

图1 左、右管线变位正常伸缩节挠曲角度与时间关系曲线

图2 变位异常伸缩节挠曲角度与时间关系曲线

2.3 左、右管道一年内的管壁应力与时间关系

钢管段沿线9+295处管道左、右及上、下管壁分别安装观测管段纵向、环向应力的各4支共16支钢板应力应变计，其中，左右两条管线轴向应力观测值在一年时间内的变化情况见图3、图4。

图3 左（东）管线轴向应力与时间关系曲线

3 不同伸缩节外观状态、挠曲变位及管道管壁应力变化特点

3.1 现场检查发现的变位特点

1）变位异常的伸缩节均处于东侧（左侧）管线。

2）伸缩节变形均呈现出往右偏转，上、下变位肉眼无法察觉。

图4 右（西）侧管线轴向应力与时间关系曲线

3）变位异常伸缩节所处管道段的每段管道支轮移动痕迹表明，每节管段往西摆动，自下游的固定镇敦起，每节管子离伸缩节越近往西摆动幅度越大。

3.2 一年内伸缩节挠曲变形观测数据的变化规律

以上曲线变化情况来看：

1）运行正常伸缩接观测数据表明（图2）：右（西）侧管道伸缩节挠曲角度随季节的变化不大，变位均属于轴向伸缩，横向变位幅度较小。左（东）侧管道伸缩节轴向、横向变位随季节的变化较大，其挠曲角度最大变化幅度达到1.5°。

2）16号、26号、28号、29号镇墩处异常变位伸缩节的观测数据显示（图3）：轴向、横向变位随季节的变化较大，其挠曲角度最大变化幅度达到3°。

3）分析表明：伸缩节挠曲角一年内周期性变化规律与倒虹吸所处环境温度的年度变化规律基本相似、轨迹同步、随着温度升高挠曲角度逐步加大，随着温度下降逐步复位，但到每年的5月初至9月中旬的倒虹吸通水期间，伸缩节挠曲变位趋于稳定。

3.3 左、右管道一年内的管壁应力变化规律

1）左、右管道一年内的管壁轴向应力变化规律也与倒虹吸所处环境温度的年度变化规律基本相似、轨迹同步，随着温度升高管壁轴向应力逐步加大，随着温度下降逐步减少，但到每年的5月初至9月中旬的倒虹吸通水期间，管道一年内的管壁轴向应力趋于稳定。

2）图3显示，左侧管道左壁应力一年内的变化幅度相比，左、右两条管道其余方位部位的应力变化幅度明显偏高。

4 伸缩节异常变位原因分析

4.1 左右管道伸缩节变位具有不同特点的原因

现场发现的以上表现、伸缩节挠曲变形数据分析及应力分析结果表明：引起伸缩节变位的最主要因素为季节性及昼夜温差过大的环境温度，由于管道走向为自东北至西南走向（与南北方向呈35度夹角），引起了管道左右管壁日照射量不同，其中左（东侧）管线东壁日照时间最长，这导致左管线东侧热膨胀量远大于西侧管壁，而引起钢管自由端往西弯曲变位，导致伸缩节的挠曲偏转。由于两条管线间距较近，在东侧管线起到的遮阳作用下，西侧管线的东西两侧管壁日照射量相差减少，左右热膨胀量相当，致使相应伸缩节横向变为不明显。

4.2 个别伸缩节异常变位原因

由于钢管段直线布置，所有伸缩节型号、方位、安装形式及所处环境条件一致，由此，所有伸缩节应同样受到环境温度的影响，一年内以周期性地轴向变位的同时，也在左右变位。那其中个别伸缩节为什么出现较大的异常变形，并无法复位呢？根据以上正常伸缩节和异常变位伸缩节的观测数据特点，分析和现场发现的异常伸缩节变形特点来看，其最主要原因可能为：

1）安装期间管道段的安装超差可能由相应的出现异常变位的这几个伸缩节来抵消。

2）该伸缩节相应管段支墩轻微的不均匀沉降引起伸缩节变为加大，同时增加复位难度。

3）相应管段支墩顶部滚轮支撑垫座平整度不同，而引起管段冷缩复位困难，致使伸缩节异常变位逐年扩大。

5 伸缩节异常变位的预防措施

5.1 设计措施

1）由于管线布置方向，处于季节性及昼夜温差极大环境中的管道，两侧日照射量不同，则引起管壁两侧热胀冷缩不同，管段弯曲，导致伸缩节的挠曲偏转。由此有条件时，布置方向尽量考虑到两侧日照射量相差问题或管壁日照射时间长的一侧设置隔热保温材料。

2）管道设计中可利用管道自身的弯曲或扭转产生的变位，来达到热胀或冷缩时的自补偿。

3）管道轴线设计应考虑弯曲变形的因素，根据管段总弯曲幅度应往变位反方向放出倾角。

5.2 安装措施

1）严禁用伸缩节来调整管道的安装超差，以免影响伸缩节的正常功能、降低使用寿命及增加管系、设备、支承构件的载荷。

2）确保镇、支敦、支座金结构的施工、安装质量。

3）钢管安装中尽量避开高温天气、时段。

5.3 运行措施

该管道工程伸缩节挠曲变位和管道应力与时间关系曲线表明：到每年的5月初至9月中旬的倒虹吸通水期间，管内存水降低钢管左右管壁温差，致使管道一年内的管壁轴向应变趋于稳定，伸缩节挠曲变位减缓，由此，可采取管道早运行，高温季节备用管线保证馆内存水或隔热保温等运行措施。

6 结论

季节温差和昼夜温差过大的北方沙漠地区，引起伸缩节异常变位的最主要因素为环境温度，其中环境温度的季节性及昼夜内的大幅度周期性变化，引起伸缩节的大幅度震荡变位，而两侧管壁日照射量的较大相差，引起伸缩节相应管道段的长久挠曲变形，进而引起伸缩节的扭曲变位。在严寒地区修建的倒虹吸管道工程中，为避免或减少工程投入运行后伸缩节的异常变位问题，在设计环节中采取一些布置方向、材料应用及结构设计等方面的防范措施，在施工安装过程中要严格把关镇支墩、伸缩节安装施工质量，管道及伸缩节安装严格避开极端气温时段。运行期高温季节备用管线采取馆内存水或隔热保温等运行措施。

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10.14124/j.cnki.dbslsd22-1097.2015.11.026

1002－0624（2015）11－0060－03

2015-01-22