湿陷性黄土地区大管径PCP供水管道水压试验分析

2016-08-12白彦刚陕西省泾惠渠管理局陕西三原713800

陕西水利 2016年2期

关键词：水压试验后背陷性

白彦刚（陕西省泾惠渠管理局　陕西　三原　713800）

白彦刚
（陕西省泾惠渠管理局陕西三原713800）

本文详细分析了渭北工业园供水项目输水管道的设计优化要点及水压试验过程，确保了湿陷性黄土地区PCP管道地基处理的安全性，为同类供水工程提供了参考依据。

地基处理；大管径PCP供水管道；水压试验

1　工程概况

渭北工业园湾子水厂供水工程跨越咸阳市三原县与西安市高陵区，位于渭河北岸一级阶地，管道采用宁夏青龙管业股份有限公司生产的预应力混凝土管，简称PCP管，规格为 DN2000×0.4MPa× 5000mm/H2。管道接口为承插式，止水密封采用滚动式O型橡胶圈。管线由北向南布设，全长5.606km，起点高程为412.80m，末端高程为404.40m。该段管道的工作压力为0.15MPa，根据GB50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》的规定，预应力混凝土管当工作压力不大于0.6MPa时，其试验压力为工作压力的1.5倍，所以试验压力为0.225MPa。

2　地质评价及管道设计

根据地质报告，管道地基为③（Q4al+pl）粉质壤土，干密度平均值ρ=1.52g/cm3，渗透系统k=2.07×10-5cm/s～4.15×10-5cm/s，压缩系数α1-2=0.51MPa-1，压缩模量Es=4.36MPa，具有高压缩性，地基承载力特征值fak=120MPa。该段地基为非自重湿陷性，湿陷等级为Ⅰ级，湿陷起始压力平均值110KPa，湿陷土厚度为7m～8m。地下水位位于管基影响范围以下，不存在粉质壤土的震陷问题。结合地质报告和设计优化，管床基础土垫层压实系数不小于0.95，3∶7灰土分层夯实、压实系数不小于0.95。管道包管混凝土为120°角设计。管沟采用分区回填方式。断面设计图见图1。

3　水压试验设计

3.1后背墙验算

当堵板传递给后背墙的作用力与后背墙被动土压力重合时，后背墙土体壁面承受的外力挤压按郎金被动土压力计算：

式中：Ep——后背墙每米宽度上的被动土压力（kN/m）；

γ——后背土的重力密度（kN/m3），根据地质勘察报告，管沟开挖范围内为粉质壤土，取15.0kN/m3；

H——后背墙高度（m）为4.5m；

h——后背墙顶端至地面高度（m）为1.0m。

Kp——被动土压力系数，按下式计算：

φ——根据地质勘察报告后背土体的内摩擦角为21°；

c——后背土体的粘聚力29kpa= 29kN/m2；

根据以上计算：

因管道传递给后背的作用力R等于试压管段管端承受的压力P，所以P可由下式计算：

P=Psπr2=0.225MPa×3.14×（1000mm）2= 706.5kN

P——试压管段管端承受的压力；—试验压力（N/mm2）；—管道内径（mm）；

图1　预应力钢筋砼管道横断面图

（1）后背墙受力宽度

式中：B——后背受力宽度，m；

R——管堵传递给后背的作用力，kN；

Ep——后背墙每米宽度上的被动土压力，kN/m；

2.0—安全系数。

经计算：

（2）后背土层长度

经计算：

式中：L——沿后背受力方向长度，m；

LR——附加安全长度，m；取0.5m。

试验中后背墙沿横向和立向安放两排4m×0.25m×0.25m枕木，再在枕木前安放2.5m×2.5m加肋钢板作受力壁板，钢板厚度为25mm，肋板为80mm×40mm× 1000mm，以壁板中心为圆心向八个方向对称焊接。后背土体壁面应与后背钢板贴紧，有孔隙时应用砂石料填塞且夯实。试压时千斤顶垂直安装在管道盲板中心与壁板中心。为防止钢木结构受力变形超过管道接口允许位移量，千斤顶要随钢木结构变形量增加而顶伸。

3.2堵板设计

试验管段所有管口用临时堵板进行封堵，对堵板厚度按试验压力进行严格计算，以防止堵板变形水压试验失败。水压试验临时堵板厚度计算按以下公式进行：

式中：［σ］——材料许用应力，［σ］20℃= 12.4kg/mm2；

η——基本应力修正系数，η=1.05；

P——水压实验最高允许压力，MPa；

D——堵板内径，mm；

K——堵板系数，K=0.45；

S——堵板厚度，mm；

本工程压力管道段最大试验压力为0.225MPa，经计算堵板验算厚度为 S为11.8mm，实际使用钢板厚度为25mm。

4　水压试验

根据GB50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》的规定，给排水管道安装完成后进行功能性试验，试验合格的判断依据分为允许压力降值和允许渗水量值，本工程根据设计要求，选择允许压力降值作为试验合格的判断依据，且管道在出厂前进行了单根管道出厂水压试验，根据规范规定在试验过程中可免去预试验阶段，直接进行主试验。主试验阶段，停止注水补压，在试验压力下稳定15min，当15min后，压力降不超过0.03MPa时，将试验压力降至工作压力并保持恒压30min，进行外观检查若无漏水现象则水压试验合格。

4.1材料与设备

试验材料及设备详见表1。

表1　　试验材料及设备

表2水压试验记录

4.2试验过程

输水管线分多段进行水压试验，分段长度均控制在1km以内，试验用的压力表经过校验，精度不低于1.5级，量程为0MPa～1.0MPa，最小刻度为每格读数0.001MPa。试验中使用2块压力表，打压端及末端（排气端）各一块。电动试压泵工作压力应能满足试验压力的要求，加压泵、压力表均应安装在试验段下游端部与管道轴线垂直的支管上。管道注水时，打开排气阀门和进口处的法兰，从管道下游用水泵注水，使管道内的气体从上端排除。管道注水时水流速度不可太快，应使管道的进水量与排气量相匹配，如进水量太大而排气少时，管道内气体会形成气囊影响水压试验效果。管线注水完成后，根据规范要求，需充分浸泡72小时后，开始用试压泵对管线进行升压。升压前关闭相关排气阀，升压时压力应缓慢上升，在管线压力达到75%以前，升压速率不大于0.1MPa/min，在压力达到95%以后，升压速率应小于0.01MPa/min。当升压至试验压力的50%时，稳压15min，观察管道有无泄漏，压力有无明显下降，当压力表读数正常时，继续进行升压，每升一级均要检查后背、管身及接口，当确定无异常后，才能继续升压。当管道压力升至试验压力后，关停试压泵，拆开相关的注水软管，并静止一段时间（约1h），等管线内的压力平衡并稳定后，要在试验压力下稳压30min，期间如有压力下降可注水补压，但不得高于试验压力。试压完成后，管线的卸压要缓慢进行，卸压速率不大于0.1MPa/min。详细水压试验记录见表2。

4.3注意事项

水压试验具有一定的危险性，存在不安全因素，因此水压试验应做好方案，加强现场安全管理工作，由专人统一指挥，明确分工，统一安排，要求后背、接口、排气等特殊部位有专人负责检查，发现问题时明确规定的联络信号，水压试验区域周围设置安全围栏或警戒标识，严禁试验无关人员进出该区域。