打压管在输水管道工程中分段水压试验的应用

2022-04-22张岩

广东水利水电 2022年4期

张岩

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概述

为实现水资源合理配置，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。20世纪80年代末我国引进PCCP管的生产技术，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。具有钢管抗渗、抗拉的优点，又具有混凝土管耐腐蚀、耐磨损和抗外压的优势，使用寿命长，能承受较高的内压和外压荷载，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，是较好的防震管材。

根据《预应力钢筒混凝土管》(GB/T 19685—2017)，预应力钢筒混凝土管的公称内径为DN400～DN4 000，管线运行工作压力或静水头不超过2.0 MPa。目前国内PCCP管的最大工作压力可做到2.0 MPa，国外PCCP管工作压力最高可达4.1 MPa以上，最大管径可达DN7 600，使用寿命可达50 a。由于PCCP管的生产线可迁移至施工现场，降低了运费，所以其综合造价尤其在同等大口径管材中经济效果明显，在长距离、大口径输水工程中已广泛应用。

PCCP管安装并经过接头打压合格后，为保证管道安全运行，还需进行管道分段水压试验[1-2]。

2 管道水压试验分段及后背堵板要求

2.1 规范中水压试验分段及后背堵板规定

PCCP管水压试验，目前所依据的规范有《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)《预应力钢筒混凝土管道技术规范》(SL 702—2015)等。

在以上规范中，管道安装完成，应进行管道功能性试验，其中包括管道水压进行试验。管道水压试验的试验长度除设计另有要求外，不宜大于1.0 km。对于无法分段试验的管道，应由工程相关部门根据工程具体情况确定。在分段水压试验处设置后背[3]及堵板[4]以抵抗水压试验压力。

2.2 工程中管道水压试验分段及后背堵板要求

由规范可以看出，管道安装完成后应进行水压试验。通常在试验管段两端用堵板封闭管道，采用开挖基坑作为后背天然支撑面，在土体支撑面上设置钢筋混凝土板作为千斤顶的后座面，千斤顶另一端顶撑在堵板上，以抵抗试压时传递过来的水压力，同时保证水压力通过堵板段均匀传到后背。试验过程中加强监测，如发现后背墙有明显被压缩的迹象，将立刻停止水压试验，对后背进行加固或调整千斤顶的伸缩长度，确保管道在有效承插口范围内不被拔出，以保证水压试验安全有效。待水压试验完成后拆除后背钢筋混凝土板，再继续后续安装工作。

一般室外供水管道长度都较长，少则数十公里，多则几百公里，并且分段长度有限，如果按照1 km分段水压进行试验，则管道将需不断进行分段，且传统水压试验采用后背支撑，严重影响施工的连续性及施工进度，有时还需在后背支撑工作面处增加合拢管，增加施工费用。

对长距离输水管道安装及分段水压试验，经过长期探索总结，考虑室外长距离供水管道长，分段长度除首段采用约1.0 km外，其余分段长度可不大于10.0 km，在分段水压试验困难情况下，水压试验分段长度可根据实际情况更长，甚至分段长度达20 km以上。分段长度增加，则将大大减少分段数量并可加快施工进度，降低费用。

对于分段处传统采用后背及堵板，如分段水压试验采用后背及堵板，则严重影响施工进度。根据工程经验并研究后，在分段打压处可采用“打压管”[5-7]替代后背及堵板。以已建成某PCCP输水管道工程为列，该工程全长为90 km，全线采用重力流输水方式，输水管采用DN3 200的PCCP管，管道设计承压值为0.6～1.2 MPa，管芯厚度为280 mm，单根管道有效长度为5 m。考虑该工程线路长，地形起伏较大，分段水压试验长度首段为800 m，其余段不大于10 km，分段多，分段水压试验采用“打压管”方式进行。

安装在PCCP管道中的“打压管”通常按照1节标准PCCP管制作完成(打压管示意见图1，现场已安装并进行充水的打压管示意见图2)，仅将材质由钢筒混凝土调整为钢材，有效长度为5 m，在打压管中间设置双向钢制堵板，打压管钢材厚度、堵板厚度需经过计算确定，尤其是堵板钢板一般较厚，并且需要增加隔板撑梁双向加固。在堵板两侧设置进人孔，进人孔一般采用法兰盲板[8]封堵。可兼做注水通道，待水压试验完成后，由进人孔进入，割除中间堵板并进行防腐处理完成后便可投入使用。本工程中的打压管采用Q355C钢，根据计算，打压管管壁厚度为20 mm，中间堵板厚为34 mm，堵板上下游加强肋板厚为34 mm，高为350 mm，间排距为400 mm，可满足水压试验承载力要求。堵板两侧进人孔考虑进人操作及减少费用等综合因素，孔径采用DN600。

图2 已安装并充水的打压管示意

管道理想安装状态为连续安装，将打压管按照普通标准管进行连续安装，即可加快进度，又可节省后背支撑费用，但在实际施工过程中会存在管道合拢问题。一方面，在管道安装过程中，一般会存在不同工作面同时施工问题，两个工作面在相向安装过程中，必然存在合拢情况出现，在施工时可事先做好施工计划，将合拢位置基本控制在平直段，可将合拢管与打压管合二为一，起到兼顾合拢打压作用。另一方面，施工过程中，存在钢制管配件供应与安装不匹配问题，当管沟开挖完成后，如管配件(如进排气三通等钢制管件)不能及时供应，或因管线上某些障碍物未及时完成拆迁，而现场工期要求又非常紧的情况下，均可造成局部跳过钢制管件而继续安装标准PCCP管，造成不连续工作面。在跳开位置，一般PCCP管无法完成合拢连接，通常以3节钢制管件焊接完成合拢，在跳开位置进行合拢如能与打压管结合，将有利于降低费用加快施工。

2.3 打压管后背支撑

打压管后背支撑采用其后已连续安装的PCCP管替代传统的后背墙。采用打压管打压时，可省去后背墙等相关设施。图2中的打压管采用承插接口与相邻PCCP管连接，打压管后背采用已经安装好的PCCP管做支撑，当完成水压试验后，将堵板拆除，封闭进人孔并防护后进行回填至设计高程，实现管道贯通。

打压管作为水压试验的中间分割点，其抵抗水压试验的水压力完全靠打压管后已经安装的PCCP管的支撑，PCCP管的支撑力依靠PCCP管与回填土体之间的摩擦力。摩擦力包括管道自重与土体摩擦力，周围回填土压力作用在管道上的摩擦力。根据《预应力钢筒混凝土管道技术规范》(SL 702—2015)的要求，管道水压试验前，管道两侧及管顶以上回填高度不应小于0.5 m，工程实际中为增加土压力的摩擦力，并考虑施工回填方便，往往直接回填至设计回填高程，回填覆土厚度一般不小于冻土层深度。

为能有效传递打压管承担的水压力，打压管应设在管道平直段上，从而保证在水压推力作用下，轴向力沿管轴线方向传递，避免相邻存在夹角的管道因受偏心力作用破坏承插口，进而破坏已安装的管道。

为减少打压管堵板承受的水压力，尽可能将打压管设置在相对较高位置，在相对较高位置处，打压管承担的相对水头较低，在打压管堵板面积一定情况下，将承受较小的推力，可减短其后直线段安装的管道长度，较少受转弯的影响，有利于在平面轴线及纵断面轴线上灵活设置打压管。

利用打压管打压时，维持其稳定的是其后已经安装好的未充水的PCCP管，有时在打压完一侧后，已经充水的一侧管道中水可以不抽排重复利用而储存在管道内，当充水打压另一侧时，已经打压过未抽排水一侧的管道因管道水重作用可增加一部分抗滑稳定力，更有利于安全支撑。

依据《预应力钢筒混凝土管道技术规范》(SL 702—2015)表6.5.3-2中管道与地基之间的摩擦系数f可知，根据管道周围回填土性质取f=0.25，抗滑稳定安全系数取2，根据打压管所在位置处试验水压力、管顶覆土厚度为2.0 m，计算确定DN3200的打压管后安装并回填管道最小长度见表1。