平山供水应急抢险工程方案比选与工程布置探析

2017-11-02魏巍

黑龙江水利科技 2017年9期

关键词：平山支墩河段

魏巍

(葫芦岛平山供水有限责任公司，辽宁葫芦岛 125000)

平山供水应急抢险工程方案比选与工程布置探析

魏巍

(葫芦岛平山供水有限责任公司，辽宁葫芦岛 125000)

工程区位于葫芦岛市兴城市二道边村，由于过河段管线下游常年采砂，近年河床下切约2m，与平山水源建设期相比河床下切约3m；管道裸露部分埋深不满足抗浮要求，过水路面压覆段临近主河床侧的玻璃钢管出现多处弯折和裂缝。目前，平山水源工程穿越兴城河段管道整体埋深偏小，不能满足抗浮和抗冻要求，且此段过河管道已多处存在伤患，历年来采取的临时防护工程未能彻底解决过河管道的供水安全。文章针对该管道的现状对应急抢险工程进行了方案对比分析，选择了工程建筑物并对建筑物进行了布置。

供水管道；应急抢险；方案比选；工程布置；建筑物型式

1 工程概况

工程区位于葫芦岛市兴城市二道边村，气候类型为温带大陆性气候，冬季以西北季风为主，严寒干燥，最冷为一月，最低气温达-27 C°，夏季以东南季风为主，炎热多雨，最热七月，最高气温达41 C°。多年平均降水量为592mm，降雨期集中在7、8月份，占全年降水量的55%左右。霜期一般从10月上旬开始至来年3月中旬结束，最大冻土深度为1.3m，多出现在1、2、3月份。标准冻土深度为1.0m。本区地貌单元为侵蚀堆积地形-山间坡洪积谷地-爪状谷地貌，地形较平坦，地势开阔。穿越段地面高程28.1-32.4m。勘察场区的地下水类型为第四系孔隙潜水，主要受大气降水和边头子北河水补给，季节性变幅较大。管道深埋穿越兴城河段，改线段原管道长约431.1m，改线起、止点位于河道两岸的耕地内，改线管道在原管线位置的河道上游15m，平行原管线布置，改线管道管材更换为球墨铸铁管，改线后初步估算长度443.5m，在河流两岸堤防外设置检修阀门井和空气阀井[1]。

2 工程任务和规模

兴城河原河宽约120m，2012年“8·04”洪水致使河道左岸拓宽50m(原为百姓耕地)，埋设在左岸段的DN1000玻璃钢供水管线被洪水冲断，过河检修阀井毁坏。主要抢险工程内容为：对冲断的玻璃钢管线安装、管线两侧浇筑混凝土U型槽进行支撑；过河检修阀井取消，爬坡弯头处浇筑镇墩；过河处管线左岸边坡修建浆砌石防护挡墙并在管线下游与原有防护墙连接。2016年7月20至21日，葫芦岛地区普降大暴雨，境内大小河流普遍发生洪水。致使兴城河过河管线下游修建的原防护挡墙及护坦全部冲毁，管道底部浇筑的混凝土U型槽冲塌，管道上石笼防护及覆盖层全部冲走，其中80m箱涵顶盖缺失并且河道左侧40余米管道裸露悬空。强降雨过后，平山公司组织人员第一时间对该处进行了临时防护。管道裸露段长约40m，该段管道为180°混凝土包角基础。

由于过河段管线下游常年采砂，近年河床下切约2m，与平山水源建设期相比河床下切约3m。受2016年的“7·20”洪水严重冲刷，过河段210m长DN1000玻璃钢管线裸露。9月1日在供水7.5万t时，此段供水管道箱涵部位玻璃钢管道发生爆管，平山公司连夜对其进行抢修糊补。9月2日此段长约40m在过水路面下管道，因裸露部分埋深不满足抗浮要求，过水路面压覆段临近主河床侧的玻璃钢管出现多处弯折和裂缝，经抢修后恢复供水。目前平山水源工程穿越兴城河段管道整体埋深偏小，不能满足抗浮和抗冻要求，且此段过河管道已多处存在伤患，历年来采取的临时防护工程未能彻底解决过河管道的供水安全。考虑地方交通部门在管线穿河位置规划修建交通桥将加剧该处河床的冲刷，桥梁建成后将进一步影响过河管道的供水安全，鉴于平山水源工程在葫芦岛市供水工程中的重要性和平山水源的供水安全，对兴城河段过河管线进行应急加固处理是非常必要的。

3 应急抢险方案选择

3.1 应急抢险方案

平山供水穿越兴城河段管道前期防护方案比选阶段，经与平山供水产权管理单位协商，供水工程穿越兴城河段管道采取两种方案进行加固。

方案1：过河段改线换管并深埋方案。考虑河道下游侧25m布置有青山水库供水工程的一条管道，本工程过河管道向河道上游侧改线，管材更换为钢管或铸铁管。本方案缺点是工期较长，河床内沟槽开挖施工较困难，见图1。

图1方案1穿河管道改线深埋布置图

方案2：原过河管道全河段铅丝石笼铺盖防护。本方案缺点是受管道现状埋深限制，过河管道全断面铺底后将局部抬高河底高程，影响该断面河道过流能力，抬高河床加剧对两岸边坡的冲刷，当地村民要求禁止在该段河道内修建高出现有河床的工程措施，全断面铺底方案阻工风险较大。建议铺底同时对该段河道进行河岸整治，避免管道加固后壅水，影响两岸耕地安全，引起地方纠纷和赔偿。另外，当地交通部门规划在管线穿河位置原有过水路面处新建交通桥，桥梁建成后加剧管线处河道下游冲刷破坏，将增大铺盖防护范围，由于河道下游采砂对该处的影响难以量化，铺盖防护的耐久性较难保证[2]。

图2方案2铺盖防护工程典型断面图

3.2 方案比选

方案1改线深埋穿越兴城河段，改线段原管道长约431.1m，改线起、止点位于河道两岸的耕地内，改线管道在原管线位置的河道上游15m，平行原管线布置，改线管道管材更换为球墨铸铁管，改线后初步估算长度443.5m。为以后检修、维护方便在河流两岸堤防外设置检修阀门井，内设DN1000手动蝶阀。管道改线前应探挖原玻璃钢管道的承插接口位置[3]。

方案1初估工程总投资324.77万元，过河管道改线深埋可彻底解决现状管道埋深浅，抗浮、抗冻不足问题，且深埋管道考虑了未来新建交通桥的冲刷影响，避免了抢险加固后可能发生的二次破坏[4]。

方案2石笼铺盖防护，管道过河段管顶回填粒径<20mm的河床料，压实相对密度≥0.7，管顶填筑厚度≥0.3m，管顶填筑宽度5.0m，下游侧回填坡度1∶4，回填完毕后采用铅丝石笼铺盖进行防护，石笼下设400g/m2的土工布做反滤层，海漫出口设抛石护底。

方案2初估工程总投资315.39万元，铺盖方案是对现有过河管道进行铺盖防护，工程实施后将抬高现有过河段河床高程，形成局部壅水，随着下游采砂影响，将进一步加大该段河道的落差，加剧两岸冲刷破坏。

3.3 推荐方案

综合以上所述，方案1投资较高，但过河管道改线深埋对周边环境影响较小，且埋深同时考虑了未来新建交通桥的影响，彻底解决过河段管道供水安全问题，因此，本设计推荐方案1采用改线深埋穿越兴城河。

4 建筑物型式

平山供水工程全线为有压流输水，供水管径DN1.0m，管道设计工作压力0.8MPa。原过河段管道为玻璃钢管，采用改线深埋加固方案，主要考虑改线管道主河床段施工时不影响原管道正常供水，仅在接管时短期停水，因此，改线管道需向河道上游平移15m，以保证主河床段管道敷设时,沟槽开挖边界距离原管道至少2m的安全距离。典型断面图见图3。

图3 穿河管道改线深埋典型断面图

4.1 改线管道总布置

平山供水兴城河段应急抢险工程采用改线深埋换管方案，改线管道向河道上游方向平移15m，改线段原长度431.1m，改线后初步估算长度443.5m。新建管道采用深埋方式穿河，考虑检修需要两岸分别布置1座DN1.0m检修阀井(桩号为0+046.21、0+397.25)。原管道在该位置右岸布置1座排泥三通、左岸布置1座空气阀井，根据两岸地形条件，改线管道不再布置排泥阀井，仅在左岸新建空气阀井(0+391.25)1座。

4.2 管道选型

平山水源应急抢险改线管道公称管径DN1.0m，输水内压0.8MPa，管道用于兴城河穿越，埋深1.5-8.9m，深埋段位于主河床段且嵌岩埋设，结合各种管材的特点及适用性，本工程可选的管材为钢管和球墨铸铁管，同时考虑2种管材的施工、防腐、运输、损耗等综合因素[5]。

4.2.1 技术比较

1)钢管：①钢管管材承压能力高，机械强度好；可焊性方便，适应地形能力强。②钢管防渗性好，施工经验丰富；生产制造厂家多，管材来源丰富，可保证价格合理，满足工程需要。③钢管耐腐蚀性差，接口部位需现场做内外防腐处理，施工质量难以控制。钢管对环境温度适应能力差，不宜在高温天气及寒冷气候下作业。④使用寿命受环境因素影响大，而且维修费用高。

2)球墨铸铁管：①球墨铸铁管管材承压能力高，机械强度好。②承插式接口安装便利，施工速度快。③小管径施工经验丰富，生产制造厂家多。④球墨铸铁管耐腐蚀性较好。

3)管材技术比较结论：本工程管道为过河段有压流输水，管线的工作压力(0.8MPa)较高，过河管道受季节和汛期影响要求工期短，因此应选择在满足内压的情况下，管材施工容易、抗外压能力强的管材。通过以上比较认为钢管和铸铁管均适用于本工程，但铸铁管在施工速度和后期维护上更有优势[6]。

4.2.2 经济比较

考虑管道管材采购和安装费用，进行综合经济分析，本过河工程2种管材的工艺工程量的综合造价(包括管材价格和安装价格、防腐价格)，其结果见表1和表2。

表1 钢管工艺设备工程投资

续表1 钢管工艺设备工程投资

表2 球墨铸铁管工艺设备工程投资

本工程钢管采购及安装投资113.42万元，每米综合造价2557.65元/m；球墨铸铁管采购及安装投资102.09万元，每米综合造价2302.07元/m。

4.2.3 管材结论

综合以上，从技术、经济两个方面看，球墨铸铁管可以满足本工程的性能要求，也是较经济的选择，因此本工程推荐球墨铸铁管。

5 输水管道改线工程

5.1 管道覆土深度确定

兴城河段改线管道覆土的确定主要从3个方面考虑：①管道的防冻问题；②管道的抗浮问题；③管道抗冲刷。

供水管道抗冻埋深。工程区最大冻土深度为1.3m，标准冻土深度1.0m，管道埋设于最大冻深以下可满足抗冻要求。

供水管道抗浮埋深。按着地下水水位达到地面工况时，对钢管、铸铁管计算抗浮所要求的管顶最小覆土深度，其结果见表3、表4，抗浮安全系数取1.1。

表3 铸铁管(K9)抗浮要求最小覆土

表4 钢管(d=15mm)抗浮要求最小覆土

由表2 和表3可知，管道埋深>0.8m即可满足抗浮要求。

供水管道抗冲刷深度。在改线管道所处位置，当地交通部门规划新建交通桥，按100a一遇洪水条件下，新建桥桥下计算可能最大冲刷深度为5.14m。由于平山管线所在位置附近最深河底高程为27.50m(XCH7)，计算止冲高程应为22.36m，该处基岩顶高程约为23.21-22.9m。最深冲刷线位于岩面下以下，管道按嵌岩埋设，管道嵌入岩面线以下≥0.8m，过河段管道最低管中心高程22.4m，此时管道最小埋深4.4m，最大埋深位于穿堤段为8.9m。

5.2 沟槽开挖与回填设计

5.2.1 沟槽开挖

沟槽开挖分土方开挖和岩石开挖，土方开挖边坡1∶1.5，岩石开挖边坡1∶0.5，土石分界处预留1.5m宽马道。根据GB 50268-2008规定，管道每侧预留0.5m作业面，管沟底宽2.048m。

5.2.2 沟槽回填

管道基础为强风化岩石，管底预留0.2m厚中粗砂垫层。

过河段管道最大埋深8.9m，因管道刚度要求，当管道埋深>4.5m时(桩号0+065.81-0+378.69m)，管区回填最大粒径≤40mm的级配砂夹石，其中5-40mm粒径碎石或砾石含量≥40%，不得含有细粒土；当管道埋深<4.5m时，管区回填最大粒径≤40mm的开挖料，填料应选用砂夹石类混合土料。管区压实度≥95%。

管顶以上部位回填开挖料，压实度≥90%。位于耕地范围的管沟回填，地表应做好复耕作业。

5.2.3 管道防腐

管道防腐综合考虑耐久性和深埋段管道刚度要求，采用涂料防腐。球墨铸铁管内壁防腐采用环氧树脂粉末涂层，外壁防腐采用喷锌+环氧树脂粉末。

5.2.4 输水管道附属设施设计

检修阀井。检修阀布置在河道两岸的阀井内，桩号分别为0+046.21m、0+397.25m，检修阀井采用钢筋混凝土结构，尺寸2.2×3×3.5m(长×宽×高)。

空气阀井。空气阀布置在河道左岸桩号0+391.25处的阀井内，管道排气阀与管道检修进人孔结合。空气阀井采用钢筋混凝土结构，并且内外做防水处理，阀井尺寸3m×2.4m×3m(长×宽×高)，井口采用保温措施。排气阀井内设1个DN150排气阀。

工程选用排气三通规格为DN1000/dn150。

镇、支墩。由于管道内压较高、管径较大，在管道转弯处、检修隔断阀、连通阀处将产生很大的集中力，为确保两管节甚至多管节间不脱开，对管道45°水平弯头、22.25°、22.5°垂直向下弯头、22.5°、22.86°垂直向上弯头处均采用C25 F50混凝土支墩，在检修阀门井处，为防止因为轴向力的作用造成管节间脱开。采用C25 F50混凝土镇墩对阀门固定。水平向支墩设计以被动土压力来计算土壤反力，以这种反力来平衡异形管传给支墩的外推力，并通过这样的平衡试算，来确定支墩的高度和长度。水平向支墩承受的水压合力，其大小应小于支墩后背被动土压力和支墩底面摩擦力之和。但为了防止墙后土体发生剪切破坏，止推墩处的沟槽深度必须大于止推墩的两倍，同时由于埋于地下的管道支墩只是作为传力的一种媒介，必须砌筑在管壁和未动土壤之间。垂直向上弯管支墩承受的水压合力产生的向下垂直分力和支墩自重由支墩底地基土承受，其水平分力应小于支墩后背被动土压力和支墩底面摩擦力之和。垂直向下弯管支墩承受的水压合力产生的向上垂直分力应不大于支墩自重及支墩上的覆土重，并且按照向上垂直分力的大小计算弯管和支墩间的钢筋用量，其水平分力应小于扣除向上垂直分力后支墩自重及支墩上覆土重所产生的地面摩擦力。被动土压力按照郎肯土压力理论计算。检修阀门井处镇墩设计按摩擦力进行设计。镇支墩设计安全系数取为1.5。当镇支墩尺寸>8m时，在其长度方向的镇支墩表面双向布置φ10@150温度应力钢筋。