球墨铸铁管自锚式接口技术的工程应用

张智聪

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330200)

1 自锚式接口技术概述

球墨铸铁管若配置常规柔性滑入式接口则易于轴线伸缩与径向偏转，增强埋地输水管线应用效果，但管线弯头等部位会因水流流向的变化而出现水力推力，还会因地基沉降而导致接口滑脱。自锚式接口能有效解决上述问题，通过接口处所增设的机械自锚固装置，将滑脱至最大位移的插口进一步锁定，有效防止接口再次滑脱，其内腔的胶圈还能发挥接口密封作用。自锚式接口还具有较好的偏转性能，能有效消除因地基沉降而引发的弯曲应力[1]。自锚式接口结构详见图1。

图1 自锚式接口结构

2 自锚式接口技术的工程应用

2.1 工程概况

崇义县供水改扩建工程—输水管工程建设地点为长河坝水库至县自来水厂，主要为崇义县县城供水的输水管道工程，崇义县自来水水厂设计供水规模为5万t/日，因此管道设计最大取水规模为5.4万t/日(考虑8%管道渗漏损失和水厂自用水系数)，折合流量为0.625m3/s。

本工程的建设内容为：新建DN700输水管道6.18km(其中球墨铸铁管2.878km，钢管3.302km)，新建输水隧洞2.08km、支撑钢管跨河桥桥1座、护岸挡墙499.6m、DN1500钢管顶管24m以及管道沿线水土保持、输水管出水口厂区储藏间、发电机房、食堂卫生间改造、围墙等配套附属设施的建设。

2.2 免支墩设计

在管线输水过程中，因水力方向的改变可能导致弯头、三通及变径处出现水力推力。为消除埋地球墨铸铁管滑入式接口水力推力，除可使用混凝土镇墩外，还可以采用免支墩设计。对于埋地管道，在水力推力处一定距离内管道与土壤之间的摩擦力及土压力之和会对水力推力产生逐步抵消作用，最终使之降至为零，其间长度即为自锚长度。在自锚长度内外应当分别设置自锚接口和普通柔性接口，上述通过自锚接口代替混凝土镇墩的处理就是免支墩设计[2]。

自锚长度L通常按下式计算：

(1)

式中：Sf为安全系数，本工程取2.0；P为管线内水压力设计值，MPa；A为管线横截面面积，mm2；Ff为外土层影响下管道与土壤间摩擦力值，kN；Rs为被动土压力，kN/m；θ为水平弯头弯曲度，°。

考虑到免支墩设计为球墨铸铁管混凝土镇墩的替代技术，本输水工程因水力推力处存在建筑物阻挡，难以进行镇墩浇筑施工，且水力推力部位存在较大地基沉降，严重影响镇墩结构的稳定性等原因而不具备混凝土镇墩安装条件，故因考虑免支墩设计。

2.3 地基沉降处理

管线区地质构造较简单，主要表现为层内小断裂、节理裂隙发育。据地表地质调查，管线区未见大规模断层破碎带，无全新世活动性断裂存在；据多年观测资料，工程区新构造运动较弱，地壳间歇性缓慢升降面积较大，区域地壳运动以河流冲蚀冲刷作业以及山体剥蚀风化作用为主，存在微弱的差异升降运动。在供水管线敷设过程中若采用焊接钢管，对于沉降较大的区域会出现悬臂现象，因弯曲应力较大，管道容易折断；若采用普通球墨铸铁管，则接头容易滑脱，为此，本工程应采用自锚式球墨铸铁管接口，一旦发生沉降，接口滑脱后自锚装置将通过其强大的防滑脱力将接口锁定，每根管道均顺地势发生偏转后自然沉降累积量增大，并使弯曲应力随之消除。本供水工程沉降区管线长85m，接口偏转角度1.0°，则管道顺地势发生偏转后自然沉降累积量可达1.54m。

在供水管道沉管施工中也可能发生接口滑脱，虽然采取了布线固定措施，但管道也会因地基不稳等原因发生偏转和沉降，所以，本工程沉管施工方面采用自锚式接口球墨铸铁管也较为适用。

2.4 水平定向钻施工

运用水平定向钻施工技术可在不开挖地表面的情况下完成供水管道穿越，为实现供水管道沿设计曲率半径孔道从出口坑回拖至起始坑铺管，对管道曲率半径有一定要求，且管道应能承受孔道及泥浆所施加的摩阻力和拖拽力。

进行球磨铸铁管水平定向钻施工时，应将球磨铸铁管与因钻杆偏转而引起的曲率半径控制在孔道设计轨迹范围内，内自锚式接口处应通过收缩套及薄钢板包裹，并确保球墨铸铁管所允许牵引力符合各点轨迹回拖力要求。

2.5 输水管线陡坡敷设

对于坡度较陡(≥20°)区域若按照滑入式接口进行球墨铸铁管安装，则管线会因轴线向重力分力的出现而发生下滑，并当下滑累积位移增加至一定程度后，引发结构滑脱，为此，必须在崇义县供水改扩建输水管工程大坡度管道承口位置增设支墩，从而抵消部分甚至全部重力分力。若坡度超过20°，则应增设支墩并采取自锚式接口方案。崇义县供水改扩建输水管工程采用DN700球磨铸铁管，陡峭处坡长289m，坡度35.57°，考虑到管线陡坡敷设施工质量，采用自锚式接口与混凝土管床组合施工方式，效果显著。

3 水压试验

球墨铸铁管自锚式接口允许防滑脱力PFR及自锚式接口试验压力允许值PEA通过式(2)和(3)计算：

(2)

PEA=1.5PFA+0.5

(3)

式中：PFA为球墨铸铁管自锚式接口工作压力允许值，MPa；DE为自锚式接口外径，mm。

崇义县供水改扩建工程-输水管工程DN700球磨铸铁管接口工作压力允许值为0.73MPa，试验压力允许值为1.6MPa。

球墨铸铁管安装完毕必须进行水压试验，按照设计要求及《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB50268-2008)的规定确定和控制试验压力值[3]。球墨铸铁管水压试验前，除管道接口部位之外，必须在其余管身内回填砂，使其顶牢沿线弯头并支稳三通，并使管端后背与管道轴线保持垂直。在原有管沟土后背的基础上再紧挨土壁放置一排方木，外层增设钢板，通过千斤顶将其和管端顶牢设置。按照设计及相关规范，本供水工程试验管段长度应控制在1000m以内，并在管段起伏定点设置排气阀。冲水的过程中排气，待管内所有气体排放完毕且无气泡后将排气阀关闭。

按照设计及相关规范进行水压试验压力控制，试验压力应当控制在管道工作压力的1.0-1.25倍范围内。开始水压试验后，先将钢管段灌满水使内部空气彻底排净后，通过电动试压泵使钢管内部压力缓慢匀速上升，达设计压力后稳压8-10min，再快速升至设计试验压力，此时岔管和其它钢管再分别稳压30min和10min，再降至设计试验水压后持续稳压30-45min，期间通过0.5-1.0kg木制敲击锤在焊缝两侧15-0mm区域内等重敲击，并同时进行管道内水压变化程度、管道渗水情况等的观测与记录。

4 结 论

当前，我国球墨铸铁管市场不断繁荣，开发和生产自锚式接口类型球墨铸铁管的厂家也越来越多，输水管道施工单位应重点考察和甄别厂家的技术实力、检验报告、专利保护等，若将输水管线球墨铸铁管滑入式接口统统变为自锚式接口，则必将因自锚式接口附件多、安装复杂、价格昂贵而导致工程投资增大，为此，必须密切结合工程实际，因地制宜，对于普通管线仍然采用滑入式接口，而仅在地基沉降、坡度较陡等情况下采用自锚式接口设计，更能保证供水工程管道施工质量，发挥工程经济效益和社会效益。