输水管线工程PCCP管砂砾料回填指标研究与实践

张岩

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引言

为实现水资源合理配置，室外长距离输水管道工程越来越多，尤其是大口径输水管道不断出现，其中PCCP管就是目前常用的大口径输水管道之一。PCCP管是中国20世纪80年代末引进的管道技术，经过多年的发展，国内PCCP管最大管径已达4 m。

预应力钢筒混凝土管(PCCP)是以钢筒混凝土为管芯，在混凝土管外缠绕环向预应力高强钢丝，在钢丝表面喷20 mm以上的砂浆保护层。管道承插口采用钢板冷加工成型、公差配合，加工精度高，插口密封采用双胶圈，密封性能好。既具有钢管抗渗、抗拉优点，又具有混凝土管耐腐蚀、耐磨损和抗外压优势，使用寿命长，能承受较高的内压和外压荷载，内压达30.00 kg/cm2，外压最大能承受10.00 m深覆土压力，此类管材的管件配套齐全、简便、可靠。PCCP管体为刚性管，而接头采用承插式，具有可挠性，整体上属柔性设计，是较好防震管材。

《预应力钢筒混凝土管》显示预应力钢筒混凝土管的公称内径为DN400～DN4000，管线运行工作压力或静水头≤2.00 MPa，目前国内PCCP管的最大工作压力可做到2.00 MPa；有资料显示国际上应用PCCP管工作压力已达3.10 MPa以上，最高工作压力可达4.10 MPa以上，最大管径可达DN7600，使用寿命可达50 a之久。工程实践中由于PCCP管的生产线可迁移至施工现场，有效降低工程运费，因此其综合造价尤其是相同大口径管材中有明显的经济优势，在长距离、大口径输水工程中已得到广泛应用。

新疆某长距离输水管线整体工程等级为Ⅰ等大(1)型。输水管道主要建筑物级别为2级。该工程充分利用PCCP管的优势，全线采用地埋PCCP管输水，最大管径DN3400。管路沿线地形高低起伏较大，存在含土碎石、粉土质砂、含土中细砂、砂卵砾石、含土砂卵砾石、含土砂砾石、黄土等地层岩性，地震基本烈度为Ⅷ度。管道敷设时，管沟底部设置200.00 mm厚砂砾料垫层，其他部位采用开挖料回填，回填指标对保证管道安全运行至关重要。

2 回填指标

2.1 规范中的回填指标

PCCP管回填指标，目前所依据的规范有《给水排水管道工程施工及验收规范》《预应力钢筒混凝土管道技术规范》《给水排水工程管道结构设计规范》《给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》等。

在以上规范中，刚性PCCP管两侧回填指标均≥90.00%，管沟回填典型横断面见图1。

图1 沟埋式管道回填土压实要求典型横断面图

新疆某长距离输水管线工程，线路长，地层岩性复杂多变，不同地层岩性采用的回填料不同。采用细粒土回填时，可采用压实度指标；当采用砂砾料回填时，需要用相对密度指标，目前相关输水管道规范中未给出相对密度控制指标。

2.2 砂砾料回填不同分区相对密度压实指标重要性分析

管道沿线砂砾石段，管道回填分区见图1所示。

垫层区，位于管道正下方、宽度为管道外径1/3范围内的垫层不宜压实，规范中这一要求考虑安装时便于进行高程调整，安装过程中PCCP外防腐层不被磨损，同时在回填后，管道下压过程中有利于形成土弧支撑角，避免管底应力集中，有利于管道结构安全。1/3范围内不宜压实可理解为不压，采用天然开挖地基即可。但垫层区除管道正下方宽度为管道外径1/3范围以外必须按设计要求进行压实。

PCCP管结构计算时一般采用土弧基础，工程结构计算时土弧角度取90°，设计回填支撑角120°，以保证有一定的安全裕度。120°支撑角通常也称为腋角部位，是结构受力的关键点，其压实指标至关重要。

《预应力钢筒混凝土管道技术规范》说明显示，地埋管道的受力状态不完全取决于管体本身的结构性能，而与周围土体密切相关。对回填分区提出压实度要求，加强管侧土体的支承作用，使其受力得到改善，可充分发挥管体的承载能力。

博士学位论文《软土地基上南水北调PCCP供水管线工程施工关键技术研究》文中对不同压实度、不同垫层厚度有限元计算后发现：“PCCP 管道各部分应力与砂垫层压实度、最大厚度有很重要的关系。砂垫层最大厚度一定时，PCCP 管道各部分应力值随着压实度的增大而减小”。可见回填指标对结构有重要影响。

3 新疆某输水管线工程回填指标的确定

管沟回填区域一般分为垫层区、管身下部回填区、上部回填区及管顶500.00 mm以上回填区等分区。根据沿线土的性质，细粒土采用压实度回填指标，则管顶500.00 mm以下各个分区按规范要求值≥90.00%的压实度控制。对于砂砾料，压实度已不在适用，需采用相对密度指标控制。

采用开挖沙砾料回填段，由于规范中没有相对密度回填指标明确规定，因此需参考相关规范进行取值，工程案例中砂砾料回填指标所参考主要规范见表1。

由表中不同规范对相对密度的最低要求可以看出，相对密度基本≥0.70。参考类似工程，结合工程案例建筑物级别(2级)及地震烈度(Ⅷ度)，并考虑垫层区对PCCP管结构的重要性，确定工程案例不同填筑区的相对密度，见图2。

4 不同分区压实问题讨论

垫层区中的腋角位置是形成管道土弧基础上有效支撑的重要部位，在水平向产生约束和抑制作用，抑制管线转角，有利于输水管线的稳定，有利于沿线管的使用状态和使用寿命，其填筑指标至关重要。

表1 管道砂砾料回填指标参考规范表

图2 沟埋式管道回填砂砾料相对密度指标典型横断面图

目前PCCP的使用量虽然很大，但大多情况下要求施工满足设计要求是有难度的，尤其是其管道基础腋角回填问题，一直难以解决，致使现在使用的PCCP很多在超负荷运行状态中。

对于腋角回填压实指标难度大问题，建议从以下方面进行控制：①虚铺每层厚度≤200.00 mm，并通过试验段最终确定填筑料含水率、压实机具、碾压遍数等参数。②在管沟内利用开弧设备直接开挖与支撑角相对应的弧面，将管道安装到弧面内，解决腋角回填压实难问题。③有效支撑角范围内回填采用特制材料，如微膨胀材料、水泥土等。④发明特制工具对腋角区进行振捣压实。

5 结语

供水管道工程中，管道周围回填料一般分为砂砾料(粗粒土)、细粒土，不同土料，根据《土工试验方法标准》，当砂砾料(粗粒土)中细粒土含量≤12.00%时，填筑料用相对密度控制，反之用压实度控制。参考相关规范及类似工程，结合建筑物级别和地震烈度来确定砂砾料回填相对密度指标，可供类似工程参考，建议相关规范中列出相对密度的最小控制指标确定方法。为解决管道腋角压实问题，可从填筑料、施工工艺等方面进行改进，保证承载土弧基础对管道形成充分支撑，保障管道安全运行。