应急备用水源工程中球墨铸铁管水压试验研究

易 凯

（湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

引 言

球墨铸铁管是指球化处理后的铁水经过离心浇注、退火、水压试验和内外防腐工艺生产出来的管材，简称为球管或球铁管，它继承了灰口铸铁管耐腐蚀的特点，材料性能又与钢相当，所以称之为“铁的本质、钢的性能”。工程实践表明，球墨铸铁管防腐性能优异、抗沉降能力强，密封效果好，安装简易，广泛用于市政、工矿企业的给排水、燃气等输送管道工程。

水压试验是给水管道工程完工后对工程质量检测的重要环节。根据GB 50268-2008《给水排水管道施工及验收规范》的规定，给水管道工程应在工程完工后，需进行管道工程质量检测，因此开展球墨铸铁压力管道水压试验，以确保工程安全稳定运行。

1 工程概况

老屋桥水库位于邵阳市大祥区，是配套“十四五”重点水利工程犬木塘水库工程施工期的邵阳市城市应急备用水源，以保障犬木塘水库工程枢纽施工期城市供水安全。此应急备用水源工程为建设一座取水泵站和老屋桥水库至城区水厂约8 km的连通管网，管道全线采用DN1000球墨铸铁管，管道连接方式为滑入式柔性接头。

2 试压前准备程序

2.1 试验管段长度选择

本次试验段管段长度依据设计人员在施工图中的要求选取，不应超过1 km。

2.2 后背设计和水压试验的平衡推力镇墩固定设计

在做水压试验之前，管道两端加接一段带法兰的短管，短管段的法兰与盲板连接，在盲板的端面上使用3个30 t机械千斤顶，以管轴线为中心均匀分布，再与推力后背墙的钢板进行支撑固定。盲板采用钢制盲板，尺寸应按GB/T 13295-2019《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》中的盲板标准加工制作，确保法兰密封效果。具体的水压试验装置见图1。

图1 水压试验装置图

本次水压试验加固方案为：在工作井位置，对工作井上、下游一段管道进行打桩、包灌混凝土及对原有的工作井位置阀门闸室设计进行更改和优化，使阀门闸室功效提升，既能满足原有的设计功能又能满足管道水压试验的推力平衡，满足管道水压试验的要求。

2.3 利用闸阀井及其前后的包管混凝土来平衡堵板推力计算

2.3.1 堵板上的水压推力Ft计算

堵板上的水压推力Ft计算公式：

式中 P——试验水压，根据本项目规范要求取值为1.2 MPa；

D——管道内径，取值为1.0 m。

计算得：Ft=96.17 t。

2.3.2 闸阀井和包管混凝土段的总阻力

1）闸阀井的阻力

闸阀井的阻力Fa由水平土压力P0、井室两侧面与土体接触面上的粘聚力F1、井室底板与地基间的摩擦力F2三部分组成：

由于不允许发生位移，垂直于管轴线的井壁面上的水平土压力P0按静止土压力计算：

P0=（0.5γ·H2·K0）·B

式中 γ——土体的浮容重，取1.0 t/m3；

H——井壁高度，按图纸尺寸取值为2.3 m；

K0——静止土压力系数，一般取值为0.82 m；

B——井壁立面宽度，按图纸取值为1.6m。

计算得：P0=3.47 t。

井室两侧面与土体接触面上的粘聚力F1计算公式：

F1=S1·C

式中 S1——井室两个侧面的面积，按图纸尺寸其值应为15.64 m2；

C——土体粘聚力，取值为1.0 t/m2。

计算得：F1=15.64 t。

井室底板与地基间的摩擦力F2计算公式：

F2=N2·tgψ+S2·C

式中 N2——井底与地基间的正压力，其值为井体重量与井体浮力之差，其中：

井体重量=井体混凝土体积×混凝土容重，按图纸尺寸井体混凝土体积为15.5m3，混凝土容重取2.4 t/m3，故井体混凝土重量取值为37.20 t；井体浮力为井体排水体积的水重，根据图纸尺寸，井体排水体积为28.15 m3；因水体容重为1.0 t/m3，所以井体浮力也为28.15 t，故N2=9.05 t；

ψ——土体内摩擦角，取值为15°；

S2——井地面面积，根据图纸尺寸，取值为12.24m2；

C——地基土的粘聚力，取值为1.0 t/m2；

计算得：F2=14.68 t。

故计算得到闸阀井的总阻力Fa=P0+F1+F2=33.79 t。

2）包管混凝土段的阻力计算

包管混凝土段的总阻力Fb由包管混凝土两侧面的粘聚力F3和包管混凝土地面摩擦力F4两部分组成：

包管混凝土两侧面的粘聚力F3计算公式：

F3=S3·C

式中 S3——包管混凝土两个侧面的面积，按图纸尺寸其值为82.08 m2；

C——土体的粘聚力，取值为1.0 t/m2；

计算得：F3=82.08 t。

包管混凝土地面摩擦力F4计算公式：

F4=N4·tgψ+S4·C

式中 N4——管底混凝土与地基间的正压力，为包管混凝土总重量+管内水重-混凝土体浮力，其中：包管混凝土总重量=包管混凝土总体积×混凝土容重，按图纸尺寸包管混凝土总体积计算值为64.07 m3，混凝土容重取2.4t/m3，故计算包管混凝土总重量为153.76 t；按管道尺寸计算包管混凝土段的水重W水=8.95 t；包管混凝土段的浮力为包管混凝土段所排开水体的重量，按图纸尺寸，包管段所排开水体体积计算得82.08m3，水的容重为1.0 t/m3，故包管段的浮力为82.08 t；计算得：N4=80.63 t；

S4——管底混凝土与地基的接触面面积，根据图纸尺寸，其值为45.6 m2；

ψ——土体内摩擦角，取值为15°；

C——地基土的粘聚力，取值为1.0 t/m2。

计算得：F4=67.37 t。

故包管段的总阻力Fb=F3+F4=149.45 t。

3）闸阀井和包管混凝土段的总阻力

闸阀井和包管混凝土段的总阻力F为闸阀井的阻力Fa与包管混凝土段的总阻力Fb之和，计算得：总阻力F=183.24 t。

因此，整体结构抗滑安全系数K=F/Ft=1.9＞1.3，满足要求。

2.4 试验段注水

根据现场情况从下游端注水，总用水量根据实际长度进行调整。水量计算：DN1000球墨铸铁管内径为1 000 mm，按管道规格计算储水量，试验段长取L=1 000 m，计算得水量V=785 m3。沿途地表水无污染，可以作为水源进行水压试验。

从试压管道的进水盲板下方开口端开始注水，注水缓慢，尽量使空气混入；打开高点排气阀，水量充足、持续，排气顺畅，管段灌满后持续一段时间，确保管道中的空气全部排出；最后将阀门关闭。

2.5 管道浸泡

球墨铸铁管内衬水泥砂浆内衬，在试验管段注满水后，需要将试验管段充分浸泡，管道浸泡24 h后才能进行打压试验。

2.6 试验设备和仪器

管道试压采用管道试压泵不锈钢立式多级离心泵BL（T）、恒压供水控制器（WLD190）作为压力源，水泵2台套。

压力表采用（0～2.0）MPa，最小刻度为0.2 MPa，管道一端设1个压力表，压力表安装在试验段低端部位。

3 试验分析

3.1 试验压力

本次试验的工作压力为0.7 MPa，根据GB 50268-2008《给水排水管道施工及验收规范》的规定，试验压力应当取1.2 MPa。

3.2 预试验阶段

将管道内水压缓缓升至试验压力并稳压30 min，期间如有压力下降可注水补压，但不得高于试验压力1.2 MPa；检查管道接口、配件等处有无漏水、损坏现象；有漏水、损坏现象时应及时停止试压，查明原因并采取相应措施后重新试压。

3.3 主试验阶段

停止注水补压，稳定15 min后，压力下降值不超过0.03 MPa时，将试验压力降至工作压力并保持恒压30 min，进行外观检查，若无漏水现象，则水压试验合格。

3.4 注意事项

球墨铸铁压力管道水压试验应注意以下事项：①根据现场实际情况，预计每段试验过程需用时为2～4天。②由于球墨铸铁管道两端设置有千斤顶和钢板加固装置，所以打压时后背墙必须坚固稳定，不致因压力增大而发生不稳定现象。③升压过程中，管道的气体应排除，发现弹簧压力计表针摆动、不稳，且升压较慢时，应重新排气后再升压。并需分级升压，每升一级应检查后背、支墩、管身及接口，无异常现象时再继续升压。④水压试验过程中严禁修补缺陷。遇有缺陷时，应做出标记，卸压后修补。⑤确保安全目标零事故，注意各类安全细节，如使用发电机供电，前期要做好设备与线路的防水绝缘，注意试验过程中后背顶撑与管道两端严禁站人等。⑥试验前期做好应急预案。

4 结论

由于方案完备、施工和操作过程严格规范，本水压试验研究于2021年7—9月份间在8 km管线上分段全线完成，均一次性打压通过，该项目试验压力段达到了GB 50268-2008《给排水管道工程施工及验收规范》规定的压力要求，在业主方、监理方和施工方签字确认后，老屋桥水库应急备用水源工程的水压试验圆满完成，证明该水压试验方案是安全可行的。

总之，水压试验是给水管道工程完工后对管道工程检测的重要环节，应当按照设计要求以及GB 50268-2008《给排水管道工程施工及验收规范》功能性试验的规定严格执行，本工程的球墨铸铁管管线水压试验可总结出以下几点经验：①本工程水压试验对原有的阀门井室和后背墙的设计进行了重新计算和优化，以提高工程安全的可靠性。②此试验压力可达1.2 MPa，在实施过程中，对可能出现的安全隐患进行了仔细核查，确保各个环节施工满足要求。③本工程水压试验前期制订了详细试验方案和工程应急预案。