黄土隧洞段压力钢管及贴边岔管结构设计

□董永霞　□刘琳琳（商丘市水利建筑勘测设计院）



黄土隧洞段压力钢管及贴边岔管结构设计

□董永霞□刘琳琳（商丘市水利建筑勘测设计院）

摘要：文章所介绍的黄土隧洞压力钢管全线为地下埋管，结合压力钢管主、岔、支管的总体布置、水力计算等，阐述了钢管设计原则，由内水压力确定管壁厚度，用抗外压稳定进行复核。在贴边岔管结构计算时，根据规范公式，计算补强板的宽度和厚度，并对补强板边缘应力进行近似验算，针对计算结果进行分析，确定合理的补强板有效宽度和厚度。

关键词：黄土隧洞；压力钢管；贴边岔管；补强板

1　工程概况

兰州市水源地建设工程是以刘家峡水库作为引水水源地，向兰州市供水，工程涉及临夏回族自治州、东乡族自治县、永靖县和兰州市，主要包括取水口、输水隧洞主洞、分水井、芦家坪输水支线、彭家坪输水支线及其调流调压站、芦家坪水厂和彭家坪水厂等。水源地建设工程规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等，取水口、输水隧洞、分水井、调流调压站、压力输水管道及出口建筑物等主要建筑物等级为2级，次要建筑物级别为3级，临时性水工建筑物级别为4级。

文章所介绍的黄土隧洞压力钢管及贴边岔管则位于芦家坪输水支线隧洞上。芦家坪输水支线由输水隧洞主洞末端的分水井开始向北至芦家坪水厂，而芦家坪水厂位于兰州市西固区柳泉乡芦家坪，厂区北侧山脚下有南山路通过、厂区南侧紧邻南绕城、西侧临近柳泉村、东侧临近寺儿沟。

芦家坪输水支线的起始点位置桩号L0+000为分水井中心，末端桩号L1+260.56，线路总长约1.26 km。在桩号L1+220.56处，布置兰州新区预留岔管，岔管为贴边岔管，管径由1.80 m渐变为1.40 m，岔管末端用盲法兰封堵，做3.00 m×3.00 m的阀井保护，阀井施工完回填恢复地貌。

芦家坪输水支线设计流量为10.80 m3/s，采用压力洞输水方式，圆形断面，隧洞内径3.00 m，隧洞前约0.58 km为岩石洞段，后半段为黄土隧洞，采用压力钢管外回填混凝土衬砌结构。

2　地质条件

芦家坪输水支线全长1260.56 m，洞向355°，隧洞埋深22～212 m。

L0+000～L0+300段岩性为褐红色白垩系下统河口群（K/1hk1/）砂岩与泥岩互层，薄层～中厚层，岩体呈强风化～弱风化状，岩层产状20°～30°∠21°～25°，隧洞走向与岩层呈正交状，岩层倾角较缓，对隧洞的整体稳定性不利，隧洞拱顶易出现塌方，分析隧洞围岩以Ⅳ类为主，局部Ⅲ类。L0+300～L0+586段隧洞位于砂砾石层与强风化砂岩、粘土岩交界带附近，岩体破碎，成洞条件差，分析隧洞为Ⅳ类围岩。L0+586.00～L1+260.56段为灰黄色第四系风成黄土，隧洞埋深12～111m，黄土类型为中软土，具有中等压缩性、弱透水性和湿陷性等特殊性质，黄土在干燥状态下具有一定的强度，而遇水后强度迅速降低，迅速破坏垮塌。因此黄土段成洞条件差，围岩类型为Ⅴ类，隧洞极不稳定，隧洞开挖后围岩有一定的自稳能力，但自稳时间短，建议加强支护，全断面衬砌，无论施工和运行过程中均应防止使水浸润土体。

3　结构设计

芦家坪输水支线隧洞为压力洞，圆形断面，内径3 m。根据地质条件，芦家坪输水支线前段约500 m处在基覆界线附近，洞顶岩石厚度不满足挪威；后段则从第四系上更新统风成黄土层中穿过，故芦家坪输水支线全长采用压力钢管外包钢筋混凝土结构。

3.1压力钢管主管结构设计

3.1.1设计原则

建筑物级别为2级；钢管承受内水压力时按照明管进行计算，不计围岩分担，内水压力全部由钢衬承担；山岩压力由外包钢筋混凝土承担；由于外包钢筋混凝土，且钢管埋于山体中，抗外压稳定校核按照埋管计算；设计主要依据《水电站压力钢管设计规范》、《水工建筑物荷载设计规范》。

3.1.2基本参数

根据调保计算，钢管设计最大静水压力为83.50 m，最大动水压力为93.50 m。

钢材：选择Q245R级钢弹性模量206000 N/mm2；泊松比0.30；密度7.85 t/m3线膨胀系数1.20×10-5/°C；屈服点钢板厚度＜16 mm时，245 MPa；钢板厚度16～36 mm时，235 MPa。

3.1.3荷载组合

①基本荷载组合：正常工况最大内水压力；管道放空时气压差，就是管道放空时的内外气压差，设计取0.08 MPa。②特殊荷载组合：特殊工况最高压力；施工工况：灌浆压力。仅考虑回填灌浆、接触灌浆0.20 MPa。

3.1.4管壁厚度计算

钢管承受内压时按照明管进行计算，不计围岩分担，内水压力全部由钢衬承担。

根据锅炉公式，计算在最大内水压力情况下所需管壁厚度t，如下：

式中：t－管壁厚度，mm；γw－水的容重，取10.00 kN/m3；H－最大内水水头，包括水击压力值的设计水头m；D－钢管内径，m；φ－焊缝系数，取0.90；σs－钢材的屈服强度，采用Q245R，屈服点强度：根据壁厚取245MPa或235MPa；[σ]－允许应力，基本荷载：[σ]=0.55σs；特殊荷载：[σ]=0.7σs。

经计算，钢管管壁厚度t=15.93 mm，考虑锈蚀厚度2.00 mm，最终钢板厚度取为18.00 mm。

3.1.5管壁抗外压稳定校核

根据《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003）第6.1.4条，钢管管壁抗外压稳定安全系数不得＜2.00。考虑到钢管外均外包钢筋混凝土，位于山体中，按埋管进行抗外压稳定校核，钢管临界外压力根据公式B.2.1-1进行计算。

式中：Pcr－临界外压，N/mm2；t－管壁计算厚度，取16.00 mm；r1－钢管内半径，取1500 mm；σs－钢材的屈服强度，采用Q245R，屈服点强度：根据壁厚取245 MPa或235 MPa。

式中t采用计算厚度（即计算时扣除2 mm锈蚀厚度），对于Q245R其σs取235 MPa（厚度16.00～36.00 mm），放空工况为抗外压稳定校核的控制工况。经计算，抗外压稳定系数K=4.77＞2.00，大于规范规定值，故钢管壁厚满足抗外压稳定要求。

按照构造要求，压力钢管每隔10 m设置一道阻止管壁失稳的加劲环，加劲环环高150 mm，厚度为22 mm，并且对钢管顶部120°范围进行回填灌浆，底部120°范围进行接触灌浆，其中回填灌浆孔应深入围岩0.10 m，采用低压灌浆，灌浆压力0.15 MPa，接触灌浆的灌浆压力为0.10 MPa。

3.2压力钢管岔管结构设计

3.2.1设计参数

岔管为卜形贴边岔管，运行工况下的设计内水头为85.00 m，分岔角β=55°，主管为锥管，半锥顶角α1=2.44°，支管为锥管，半锥顶角α2=5.71°，分岔处半径R0=1.50 m，R2= 0.90 m，岔管外回填混凝土衬砌结构。

3.2.2岔管壁厚计算

计算公式：

式中：P—设计内水压力，N/mm2；R—该节钢管最大内半径，mm；K—应力计算系数，由β=55°，R2/R0=0.60，查表取K＝1.45；[σ]—基本荷载下管壳材料的容许应力，[σ]=0.5σs，N/mm2；—焊缝系数；—该节钢管半锥顶角。

经计算，主管壁厚δ1＝19.91 mm，支管壁厚δ2＝12.00 mm，再考虑锈蚀厚度2.00 mm，由《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003）知，管壁最小厚度不宜小于(D/800+4) mm，也不应＜6.00 mm，且钢管壁厚级差宜取2.00 mm。综合考虑，主管壁厚22.00 mm，支管壁厚20.00 mm。

3.2.3补强板尺寸计算

补强板厚度δ’计算

计算公式如下：

式中：k—应力集中系数。查表取k=3.50；σ0—管壳膜应力，N/mm2；C—锈蚀裕量，取C=2～3 mm。

经计算，主管壁厚δ1’=4.36 mm，支管壁厚δ2’=4.29 mm，由《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003）知，管壁最小厚度不宜＜(D/800+4) mm，也不应＜6.00 mm，最终选取δ1’=8.00 mm，δ2’6.00 mm。由计算结果知，补强板厚度小于管壳厚度，对膜应力场影响较小，所以按经验法，补强板厚度一般采用与管壁等厚，补强板宽度采用“规范”推荐范围值0.70R2～1.10R2，取最大值补强板宽度最终为0.80 m。

3.2.4应力验算

一般采用经验公式，估算锐角贴边外缘的最大主应力值，其公式如下：

式中：R2、R0—支管、主管轴线交点处的直径，m；α1、α2—支管、主管半锥角，°；σ0—主管膜应力，N/mm2；σ—孔口局部应力，N/mm2。

经计算，σmax=107.17 N/mm2＜0.5[σ]=117.50 N/mm2。

4　结论

由上述计算知，芦家坪支线压力钢管段按明管进行结构计算，按埋管进行抗外压稳定复核，最终选取管壁厚度18 mm。岔管段主管壁厚22 mm，支管壁厚20 mm，补强板厚度分别与管壁厚度相等，主管补强板厚度22 mm，支管补强板厚度20 mm，补强板宽度选取0.80 m，其中补强板与管壳理论上应成为整体，因此补强板的曲率与管壳外缘曲率一致，并且结合紧密，除了孔口及板四周焊接外，必要时，板上宜布置塞焊孔。

（责任编辑：刘长垠韦诗佳）

收稿日期：2016-02-23

作者简介：董永霞（1982-），女，汉族，工程师，主要从事水利水电工程设计。

中图分类号：TV732

文献标识码：B

文章编号：1673-8853（2016）03-0089-02