超大口径长距离HDPE输水管道变形率模型试验研究

朱永涛，赵伟鑫，张志华，霍志久，苏金舫（.河北省水利科学研究院，河北石家庄　05005；.河北金源水利工程技术有限公司，河北石家庄　05005）



超大口径长距离HDPE输水管道变形率模型试验研究

朱永涛1，赵伟鑫1，张志华1，霍志久1，苏金舫2
（1.河北省水利科学研究院，河北石家庄050051；2.河北金源水利工程技术有限公司，河北石家庄050051）

摘要：以南水北调配套工程邢清干渠南宫干线试验段为依托，分别对4种不同回填方式的管道变形率进行测试，建立管道变形有限元模型。测试结果与模拟结果的管道变形率均符合GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》规定的管道竖直方向允许变形率3%的要求。选取全部原状土代替中粗砂进行管道回填施工，以达到节约成本的目的。模拟结果可为超大口径长距离HDPE输水管道在水利工程中的广泛应用提供理论和技术支撑。

关键词：超大口径输水管道；HDPE；变形率测试；有限元；模型

与传统的钢管、预应力混凝土管、铸铁管等相比，HDPE管道是一种绿色环保新型材料，具有密度低、化学性质稳定、耐腐蚀、绝缘性能好、易于施工和安装、综合成本低等特点[1]。广泛的应用于市政、建筑给排水、农用节水灌溉等领域，对节能减排和环境保护具有重要意义[2-4]。

为推进“四新技术”在南水北调配套工程中的应用，2013 年1月17日，河北省南水北调办公室就邢清干渠引进高密度聚乙烯管材事宜进行了专题研究，决定选取邢清干渠末端威县至南宫市段作为HDPE管道施工的试验段。邢清干渠是南水北调配套工程的重要组成部分，管线全长168.746 km，采用有压管道输水，地下埋管形式，管道主要采用DN1200～DN2200输水管道，设计内压0.6～1.0MPa。南宫干线属于邢清干渠的一部分，长为44 km，采用DN1200、DN1400的HDPE输水管道，输水流量0.85～1.1m3/s，设计内压0.6MPa。如此超大口径长距离HDPE输水管道在我国尚属首例。

由于超大口径长距离HDPE输水管道的技术标准在我国仍处于空白，在管道铺设回填、管道变形率分析等技术方面没有统一的国家标准。因此，本文以南宫干线试验段实际情况为依托，对4种不同回填方式的管道变形率进行试验检测，建立4种不同管道回填方式的管道变形有限元模型，并与管道变形率测试结果进行对比分析，最后选取一种节约成本的管道回填方式。

1　不同回填方式管道变形测试

1.1回填试验方案设计

根据工程要求，选取700m长度的HDPE管道进行回填，分别采取4种不同回填方式，每种回填方式长度为100m。4种不同回填方式如下：

（1）桩号N3+799～N3+899区域，按照方案中全部原土至管顶50 cm回填方式进行回填；（2）桩号N3+899～N3+999区域，按照方案中垫层中粗砂，原土至管顶50 cm进行回填；（3）桩号N3+999～N4+099区域，按照方案中管道120°范围内中粗砂，原土至管顶50 cm进行回填；（4）桩号N4+099～N4+199区域，按照方案中中粗砂回填管道半径以下部分，管道半径至管顶50 cm处用原土回填。图1为4种回填方式的示意。

图1　 4种回填方式示意

1.2实际测试结果

采用3m卷尺，按照4种不同回填方式，分别选取横断面1（回填方式1）、横断面2（回填方式2）、横断面3（回填方式3）、横断面4（回填方式4）进行不同回填高度的HDPE管道变形率测试。

回填至管顶50 cm时，不同回填方式竖直方向对应的HDPE管道变形率见表1。

表1　不同回填方式管道竖直方向变形测试结果

2　管道变形有限元模型

2.1模型建立

（1）基本假定

在对管道受力变形进行模拟时，对模型作如下假定[5]：

①管线纵向足够长，三维空间问题可以转化为二维平面问题，按照平面应变问题处理，选取管道铺设标准横断面作为研究对象，建立相关模型；②HDPE管道埋在地下之后，管道处于恒温，不考虑温度对管道受力变形的影响，管道埋地一段时间后，弹性模量的时间相关性减弱，模型中把HDPE管道简化成弹性材料进行受力分析；③回填过程中，相同土质类型并且具有相同压实度或相对密度设计要求的土体视为同一材料处理，沟槽两侧和底部原土视为同一材料处理，相关参数率定取检测结果的平均值。

（2）几何建模

采用管道和土体的二维模型进行计算，以邢清干渠南宫干线试验段为依托，选取DN1400 HDPE管道铺设标准横断面，桩号N0+000～N15+300，岩性组合特征为砂性土、黏性土多层结构，开挖边坡1∶1.25，管底铺设150mm的中粗砂垫层，相对密度不小于0.7；管底180°范围内，回填中粗砂，相对密度不小于0.7；管底180°范围以上至管顶范围原土回填，压实度不小于0.95；管顶至管顶以上0.5m范围内原土回填，压实度不小于0.90。

根据管道铺设标准横断面及施工工序，建立几何模型如图2所示。

图2　建立几何模型

（3）材料定义

有限元采用材料表方式管理模型中材料定义。回填土体和原土体材料选用摩尔-库仑材料模拟，表征该材料属性的参数有：弹性模量E、泊松比ν、密度ρ、内摩擦角φ、黏聚力c、拉伸截止极限、膨胀角[6-8]。各土层参数如表2所示。

HDPE管道用线弹性材料模拟，表征该材料属性的参数有：弹性模量E、泊松比ν、密度ρ、膨胀系数等，材料参数由河北泉恩高科技管业有限公司提供或查阅相关文献所得：管材公称外径为1400mm、壁厚为53.5mm、弹性模量为350 MPa、泊松比为0.45、密度为950 kg/m3，其中，管道弹性模量值为承受荷载100 h左右对应的弹性模量。

（4）边界条件定义

模型的建立选择Y-Translation、Z-Translation两个自由度。通过控制节点在y，z方向的“固定”或“自由”来定义边界条件。该过程是通过定义透水边界来实现的，当土体透水时，定义为透水边界，否则为不透水边界[9]。模型的各边界条件如表3所示。

表2　各土层计算参数

表3　边界条件

（5）单元组定义

模型的土体单元定义为2D-Solid，管单元定义为Pipe，单元子类型均为平面应变。各土层渗透系数参照表4。

表4　土体渗透系数

（6）网格面单元划分

对管道回填模型网格进行划分，标准横断面计算模型的网格密度控制和划分如图3所示。

图3　网格控制与划分

2.2模型计算结果分析

根据管道4种不同回填方式建立有限元分析模型，对管道变形率进行分析计算。管道有限元模拟结果如下：

（1）全部原土回填至管顶50 cm时，其底部由于是原土，有一定的粘聚力，所以对管道的挤压作用减小，底部向上的位移减小，而且底部最大作用点向管道中心移动，竖直方向位移如图4所示。

图4　方式1回填竖直方向位移

（2）垫层中粗砂，垫层以上至管顶50 cm原土回填。管道变形情况与方式1基本一致，如图5所示。

图5　方式2回填竖直方向位移

（3）管道120°范围内中粗砂回填，管道120°以上至管顶50 cm原土回填。竖直方向位移如图6所示。

图6　方式3回填竖直方向位移

（4）中粗砂回填管道半径以下部分，管道半径至管顶50 cm处用原土回填。竖直方向位移如图7所示。

图7　方式4回填竖直方向位移

4种不同回填方式在管道回填至管顶50 cm时，竖直方向对应的HDPE管道变形率模拟结果见表5。

表5　不同回填方式管道竖直方向变形模拟结果

3　测试结果与有限元模型模拟结果对比

4种不同回填方式的管道变形率测试结果与模拟结果对比如表6所示。

表6　测试结果与模拟结果对比

从表6可知，模拟结果和测试结果均表明，原土回填造成的管道变形率最大，但与采用中粗砂回填相差不大。检测结果具有一定的偶然误差，管道变形率为0.77%～1.16%，模拟结果变形率更加集中，为0.93%～0.97%，但都满足施工及验收规范允许变形率3%的要求。从经济的角度出发，可以就地取材，采用原土回填，以达到节约成本的目的。

4　结语

（1）超大口径HDPE输水管道4种回填方式的管道变形率测试结果表明，管道变形率为0.77%～1.16%，均符合GB 50268—2008规定的管道竖直方向允许变形率3%的要求。

（2）通过对4种不同回填方式管道变形进行有限元模型分析、模拟结果表明，管道竖直方向变形率为0.93%～0.97%，均符合允许变形率3%的要求。

（3）4种不同回填方式管道变形测试结果与模型结果相比，全部原状土回填方式与其余3种方式相差不大，从施工成本和就地取材等方面考虑，选取全部原状土代替中粗砂回填进行管道施工。

参考文献：

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[2]钱恒河.HDPE管材的开发现状及其应用前景[J].现代塑料加工应用，2002（3）：36-41.

[3]柳辉.邯郸市采用HDPE管穿插内衬修复旧管道的施工[J].山西建筑，2009（4）：183-184.

[4]赵昕慰，陈军.HDPE管试压内压变化规律的研究[J].兰州铁道学院学报，2003（6）：15-17.

[5]郭晓军.HDPE管道在水平定向钻进回拖中的变形损坏机理及数值模拟[D].成都：成都理工大学，2011.

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[7]赵顺波，李晓克，赵国藩.预应力施工阶段混凝土压力管道受力性能研究[J].水力发电学报，2004，23（1）：36-41.

[8]张宏宇，彭华.PCCP受载响应全过程有限元分析[J].水力水电技术，2014，45（10）：60-69.

[9]牛权，储训.瘦西湖引水泵站输水管道系统水力模型试验研究[J].南水北调与水利科技，2010，8（3）：121-123.

M odel test research for ultra-large diameter long-distance HDPE pipes deformation rate

ZHU Yongtao1，ZHAO Weixin1，ZHANG Zhihua1，HUO Zhijiu1，SU Jinfang2
（1.Hebei Provincial Academy of Water Resources，Shijiazhuang 050051，China；

2.Hebei Jin Yuan Water Conservancy Engineering Technology Co.Ltd.，Shijiazhuang 050051，China）

Abstract：Take the south-north water diversion project Xingqing main canal nangongshan main test section as the backing，pipeline deformation rate of four different backfill method was tested and the pipeline deformation finite element model was established.Test results and simulation results of pipeline deformation rate are both in line with the requirements specified in "Water supply and drainage pipeline engineering construction and acceptance standard"GB 50268—2008，i.e.allowable deformation rate at piping vertical direction is not more than 3%.Select all the undisturbed soil instead of coarse sand for backfilling of pipeline construction，so as to achieve the purpose of cost saving.The simulation results provide theoretical and technical support for widespread application of large caliber long HDPE pipes in water conservancy engineering.

Key words：large caliber water pipe，HDPE，deformation rate detection，finite element，model

作者简介：朱永涛，男，1974年生，河北雄县人，教授级高级工程师，从事水利工程试验研究与工程检测。E-mail：839518515@qq.com。通讯作者：赵伟鑫，地址：河北省石家庄市新华区泰华街310号河北省水利科学研究院4006室，E-mail：zhaoweixin1988@126.com。

收稿日期：2015-07-16；

修订日期：2015-08-17

中图分类号：TU532+.61

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0033-04