严寒地区不同材质大型倒虹吸管道应力分析及运行安全性评价

李 新，谢晓勇，赵成先

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

三个泉倒虹吸是迄今为止亚洲最大的倒虹吸工程[1]，综合难度系数49.28（水头×管径值×管长），工程全长约11km，双管平行布置，具有超长、高应力、大变形等工程特性，设计流量（单管）为15.25m3/s，加大设计流量（单管）为17.5m3/s。考虑工程安全、经济等因素，管段采用钢管和PCCP管的组合方案：内水压力1.4MPa以上的管段采用直径为2.7m钢管，管段长3181m；1.4MPa以下（含1.4MPa）采用直径为2.8m的PCCP管，管道长7385.27m。倒虹吸管道分别在钢管段9+300和PCCP管段6+447各设置一个主监测断面[2～4]，用于监测管道应力和伸缩节伸缩变形，每个监测断面在左右管道各设置4个测点，具体布置见图1。

图1 三个泉倒虹吸管道纵横剖面监测布置图Fig．1 Three Spring inverted siphon pipe Longitudinal and cross-section monitor layout

图2 小洼槽倒虹吸管道纵横剖面监测布置图Fig．2 Xiaowacao inverted siphon pipe Longitudinal and cross-section monitor layout

小洼槽倒虹吸全长5136m，采用直径3.1m玻璃钢管，平行双管布设，设计流量（单管）为15.25m3/s，加大设计流量（单管）为17.5m3/s，最大工作静水压力为0.46MPa。小洼槽倒虹吸管道在1+276和1+268断面设置主监测断面[2]～[4]，监测管道应变、管道接头变形，每个监测断面在左管道各设置4个测点；并在1+286断面设置管道径向变形监测、1+284断面设置土压力监测、1+262和5+546.5设置接头变形监测断面，每个断面设置4个测点，具体布置见图2。

工程区地处北纬45°以上的严寒地区，冬季最低气温-41.7℃，夏季最高温度40.6℃，昼夜温差20℃左右，年际温差高达82℃。昼夜温差、阴阳面温差和年际温差大、干湿交替频繁、冻融循环剧烈等不良气候特征，对管道的应力应变调控提出了极高的要求。管基地质条件较差，大多为第三系的膨胀泥岩和风积沙，对管道的变形适应能力也提出了极高的要求。

2 管道应力分析

2.1 三个泉管道应力分析

钢管相关参数见表1。

2.1.1 倒虹吸钢管管道应力监测成果

倒虹吸钢管管道9+300监测断面各支钢板计实测应力自2005年通水运行至2015年历年年最大环向实测应力变化曲线见图3和图4。

根据实测应力曲线分析，9+300监测断面管道在运行前期年最大实测环向应力变化和增幅较大，随后最大实测环向应力趋于稳定，其中右管比左管应力稳定要快，与左管位于施工道路路边，受干扰较大有关；因温差影响，管道底部和左侧管壁温度大于顶部和右侧，造成管道底部和左侧环向应力大于顶部和右侧。

表1 钢管物理力学性能设计参数Tab.1 Parameters of physical mechanical properties of steel tube

图3 9+300断面左管管道最大实测环向应力变化曲线Fig．3 Hoop stress curve of the maximum practical measurement value of the left pipeline of the 9+300 section

图4 9+300断面右管管道最大实测环向应力变化曲线Fig．4 Hoop stress curve of the maximum practical measurement value of the right pipeline of the 9+300 section

管道最大实测环向应力为128MPa（GB2-2），钢材屈服强度为235MPa（σs），钢管膜应力区基本允许应力为129.25MPa（0.55σs），至2015年8月，累计最大实测环向应力123MPa，都小于设计允许值（设计允许值已考虑安全裕度）。

2.1.2 荷载作用下的管道环向应力计算分析

考虑管道在受内水压力、水重和温度荷载下，管壁承受的环向应力由式（1）～式（3）计算。

管壁环向应力计算：

式中σθ1——内水压力作用下的管壁环向应力；

σT——管壁环向温度应力。

内水压力作用下的管壁环向应力[5]：

式中P——钢管中心的压强；

t——管壁厚度，t=26mm；

r——钢管半径，r=D/2=1350mm；

H——钢管中心的水头；

θ—— 计算点半径与管中心铅垂线的夹角，即θ=0°为管顶处，θ=90°为管水平轴线处，θ=180°为管底处；

a——管轴轴线与地面水平夹角，取a=30°。

管壁环向温度应力[6]：

式中α——钢管的线膨胀系数，α=1.2×10-5/℃；

ΔT——钢管工作温度与安装初始温度的温差；

E——钢管的弹性模量，E=210GPa。

根据式（1）～式（3）计算得到与实测值对应的环向应力计算值，最大环向计算应力值变化曲线见图5和图6。

图5 9+300断面左管管道最大计算环向应力值变化曲线Fig．5 Hoop stress curve of the maximum computed value of the left pipeline of the 9+300 section

图6 9+300断面右管管道最大计算环向应力值变化曲线Fig．6 Hoop stress curve of the maximum computed value of the right pipeline of the 9+300 section

计算应力曲线与实测应力曲线比较，应力变化趋势基本一致，说明实测值与计算值是可靠的，能反映管道实际应力过程。管道运行前期年最大计算环向应力变化和增幅较大，随后最大计算环向应力趋于稳定。因实测值在数据采集过程中存在不确定性（仪器或采集系统等原因），计算应力曲线较实测应力曲线离散性小。

钢板计GB3-2、GB7-2实测值与计算值接近；2013年 8月 前，钢 板 计 GB4-2、GB5-2、GB6-2、GB8-2实测值与计算值接近，以后两值相差较大；2009年7月前，钢板计GB1-2、GB2-2实测值与计算值接近，以后两值相差较大。即在实测值出现明显跳变（实测值不稳定状态）前，计算值与实测值接近，跳变后差值变大。历年最大计算环向应力值119MPa，至2015年8月，累计最大计算环向应力86MPa，小于设计允许值。

2.2 小洼槽倒虹吸管道应力分析

2.2.1 玻璃钢倒虹吸管道应力应变监测成果

倒虹吸管道1+276监测断面各支钢板计实测应变自2005年通水运行至2016年历年年最大环向和轴向应变曲线见图7和图8。

图7 1+275断面左管管道年最大环向应变曲线Fig．7 Hoop strain curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+275 section

图8 1+275断面左管管道年最大轴向应变曲线Fig．8 Axial strain curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+275 sectio

1+276监测断面管道在运行前期年最大应变变幅较大，随后最大应变趋向稳定；管道左右侧面环向应变较大，左侧的应变大于右侧；管道轴向应变是底部较小，轴向应变小于环向应变，更快趋于稳定。2007年以前年最大环向应变584με（GB2-2，管道左侧），年最大轴向应变153με（GB2-1）。2007年以后年最大应变超过拉应变量程1000με（GB3-2，管道右侧），超量程后应变值以1000με考虑（超过量程的数值失真），年最大轴向应变 707με（GB2-1）。

2.2.2 玻璃钢倒虹吸管道应力计算分析

根据玻璃钢倒虹吸管道实测的年最大环向应变和对应的轴向应变，应用式（4）和式（5）计算管壁环向应力和轴向应力。

玻璃钢管道相关参数见表2。

表2 DN3100玻璃钢夹砂管物理力学性能设计参数Tab.2 Physical mechanical properties design parameters of DN3100 Glass Steel tube

求管壁环向和轴向应力，根据弹性理论，应用下列公式计算[7]：

式中εθ——管壁环向应变；

εL——管壁轴向应变。

图9 1+275断面左管管道年最大环向应力曲线Fig．9 Hoop stress curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+275 section

根据以上参数和式（4）、式（5）计算得到玻璃钢管道对应的年最大环向应力和年最大轴向应力，再绘制应力过程曲线，见图9和图10，1+276监测断面管道在运行前期年最大应力变幅较大，随后管道应力趋于稳定；管道左右侧的环向应力较大，左侧应力大于右侧。该监测断面左管管壁环向应力最大值14.25MPa，环向拉伸最小安全系数为6.1（环向应力/环向强度），管道已运行11年，最小安全系数仍大于安装设计要求（设计安全系数为6），管壁受力是安全的。

图10 1+275断面左管管道年最大轴向应力曲线Fig．10 Axial stress curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+275 section

3 管道变形分析

3.1 三个泉管道变形分析

3.1.1 钢管段9+300监测断面

自2005年通水运行至2015年，9+300监测断面左右管道设置的伸缩节位移计测得的历年年最大变形值，绘出最大变形曲线见图11和图12。

根据统计表和曲线过程分析，9+300断面伸缩节变形运行初期变形较大，随后很快趋于稳定；伸缩节变形主要受温度影响，与温度负相关，在冬季最低气温期间年变形最大，在夏季最高气温期间年变形最小，管道通水后管道温度较稳定，伸缩节变形也最稳定；同一伸缩节上下两侧变形差值较小，右侧变形量大于左侧，伸缩节向左偏转，实测最大角变位4.8°，小于设计允许值（α≤5°）；历年最大变形量左管为91mm（M9），右管为137mm（M15），至2016年1月伸缩节累计最大变形量89mm，年最大变幅约为最大变形量的50%左右，管道设计允许变形量150mm，实测最大变形量都小于设计允许值。

图11 9+300断面左管管道伸缩节年最大变形量曲线Fig．11 Deformation curve of the annual maximum value of the left pipe expansion joint of the 9+300 section

图12 9+300断面右管管道伸缩节年最大变形量曲线Fig．12 Deformation curve of the annual maximum value of the right pipe expansion joint of the 9+300 section

3.1.2 PCCP管与钢管连接部6+447监测断面

6+447断面伸缩节两端分别连接PCCP管道与钢管管道，伸缩节历年年最大变形量：左管为3.9mm，右管为4.9mm，年最大变幅小于0.1mm，两个管道伸缩节变形已经稳定。

3.2 小洼槽管道变形分析

3.2.1 管道整体径向变形监测成果

自2005年通水运行至2016年，1+286监测断面管道左管整体径向历年年最大变形值，绘出最大变形曲线见图13。

图13 1+286断面左管管道整体径向年最大变形曲线Fig．13 Radial deformation curve of the annual maximum value of the left pipeline of the 1+286 section

根据统计表和曲线过程分析，1+286断面管道整体变形运行初期较大，随后较快趋于稳定。根据管道径向变形分布规律分析，管道底部和左侧面向外变形，管道整体向左下侧变形，与1+275断面管道左侧应变和应力较大情况吻合。

该断面管道径向变形率约为1%，变形较小，管道整体变形已经稳定。

3.2.2 管道接头变形监测成果

根据图14和图15变形曲线分析，1+286、1+262和5+546.5断面管道接头最大变形前期变幅较大，随后趋于稳定。1+268断面接头底部变形较大，说明接头部位趋于下沉；1+262和5+546.5断面接头顶部变形较大，见管道接头年最大变形曲线图14和图15，说明接头两端趋于下沉。接头最大变形量为31mm，小于设计指标（50mm）。

图14 1+262断面右管管道接头年最大变形曲线Fig．14 Deformation curve of the annual maximum value of the right pipe expansion joint of the 1+262 section

图15 5+546．5断面右管管道接头年最大变形曲线Fig．15 Deformation curve of the annual maximum value of the right pipe expansion joint of the 5+546．5 section

4 结束语

（1）本文基于实测值，对倒虹吸钢管和玻璃钢管两种管材的管道进行了应力分析与计算，并将计算值与实测值进行了对比分析。三个泉倒虹吸钢管历年实测最大环向应力128MPa，历年最大计算环向应力值91MPa，都小于设计允许值（129MPa），管道受力在正常范围内，实测和计算应力都已趋于稳定；小洼槽倒虹吸玻璃钢管道环向和轴向应变和应力已趋于稳定，最大环向应变1000με，计算的环向应力14.25MPa，最小安全系数6.1，管壁受力是安全的。

（2）截至2016年1月，三个泉倒虹吸管道伸缩节累计最大变形量为89mm，历年最大变形量137mm，都小于设计允许值（150mm）；伸缩节实测最大角变位4.8°，小于设计允许值（5°）；管道绕曲和偏位变形小，管道伸缩节变形已经稳定；小洼槽倒虹吸管道整体径向变形稳定，最大径向变形率约为1%，向左下侧变形，变形量较小，管道接头最大变形31mm，小于设计指标（50mm），接头变形已稳定。

（3）根据历年监测资料综合分析，三个泉和小洼槽倒虹吸管道在严寒地区，并且昼夜温差、阴阳面温差和年际温差大的不利条件下，仍能保持长年运行状态正常。

（4）三个泉钢管伸缩节横向变形（扭转变形）较大，部分已接近设计指标（5°），对个别变形较大的伸缩节部位的钢管管身可通过人工干预复位。在实际运行中对三个泉倒虹吸横向变形较大的管道进行了人工复位，效果较好，仍能长期保持复位后状态。

[1] 石泉，张立德，李红伟．大型倒虹吸工程设计与施工—大口径、高压力预应力钢筒混凝土管与玻璃钢管在倒虹吸工程中的应用[M]．北京：中国水利水电出版社，2007．SHI Quan，ZHANG lide，LI Hongwei．Design and construction of large inverted siphon engineering—application of large diameter，high pressure prestressed steel tube and glass tube in inverted siphon engineering[M]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower press，2007．

[2] SL725—2016水利水电工程安全监测设计规范[S]．北京：中国水利水电出版社，2016．SL725—2016 Safety monitoring design specification for water conservancy and hydroelectric engineering[S]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press，2016．

[3] SL551—2012土石坝安全监测设计规范[S]．北京：中国水利水电出版社，2012．SL551—2012 Safety monitoring design specification for earth and rock dam[S]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press，2012．

[4] SL601—2013混凝土坝安全监测设计规范[S]．北京：中国水利水电出版社，2013．SL601—2013 Design specification for safety monitoring of concrete dam[S]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press，2013．

[5] SL281—2003水电站压力钢管设计规范[S]．北京：中国水利水电出版社，2003．SL281—2003 Design specification for pressure tube of hydropower station [S]．Beijing: China Water Conservancy and Hydropower Press，2003．

[6] 王翰章，王化云．管道热应力及热补偿[J]．林业科技情报，2004，4（1）．WANG Hanzhang，WANG Huayun．Piping thermal stress and thermal compensation[J]．Forestry Science and Technology Information，2004，4 （1）．

[7] 刘鸿文．材料力学[M]．北京：高等教育出版社，2004．ZHANG Hongwen．Material mechanics[M]．Beijing: Higher Education Press，2004．