长距离深槽大口径沉管运营期排水受力分析

2022-08-31路佳

城市道桥与防洪 2022年7期

路佳

（南宁建宁水务投资集团有限责任公司，广西南宁 530031）

0 引言

随着我国经济的增长以及城市化的推进，市民对于生活用水的要求越来越高。为保障城市用水的质量与安全，不少城市都修建了第二水源地工程，通过输水管线将清洁的水资源输向城市。沉管法施工具有施工周期短、工程造价低、技术成熟等优势，因此是敷设河底管线时的一种常用的施工方法[1-5]。

由于大口径沉管法输水管线位于水下，很难从外部进行维护保养，因此通常需要先将其排空，然后再由操作人员进入并进行修理维护[6-9]。在浮力的作用下，管线会发生上浮，其结构受力和变形也将发生变化，为操作人员和管线自身带来一定的安全风险。为了定量地研究管线在排水维护过程中受力变形的变化，本文建立了包含管线和河底地层的有限元模型，并对大口径整体沉管的排水过程进行了模拟，为实际工程提供理论参考。

1 工程概况

广西南宁市邕江上游引水工程一期输水管线工程需要穿越邕江，向河南水厂以及凌铁水厂输送原水。经方案比选与专家论证，最终采用水下深槽沉管施工方案，保证了邕江两侧岸堤的稳定性与抗渗性，大幅降低了管线的施工费用。

邕江水位的绝对标高在67 m 左右，跨江管线长度为438 m，采用一根φ2 620 mm×28 mm 钢管。采用了水下沟槽开挖、管道焊接预制、整体管道下沉安装的施工方法。为了满足管道抗浮与防冲刷要求，管道覆土深度达到了4.5 m。为了节约施工时间及沟槽开挖量，沉管管道沿河道地形呈“V”字形布设，最低点绝对标高为39 m，沉管纵断面布置见图1。邕江河床主要以圆砾为主，为了防止管道检修过程中，空管因为浮力而发生上浮，采用粒径15～40 mm 砂砾石回填，并用石笼覆盖，具体回填做法见图2，回填后管道覆土厚度大约为2 400 mm。

图1 水下管道纵断面图

图2 下管道横剖面图

2 有限元计算

2.1 有限元模型基本参数

为了研究排水对管道受力变形的影响，选取了河床底部20 m 长的管线与地层，建立如图3 所示的三维有限元模型。地层分为河床和回填石块两部分，采用实体单元建立，开挖坡度为1∶3。如表1 所示，河床的地层主要为圆砾，弹性模量按照地勘报告中的压缩模量选取，回填石块为粒径15～40 mm 的砂卵石，按照与圆砾相同的材料参数选取。沉管为直径2 600 mm 厚度28 mm 的钢管，本文中采用壳单元进行模拟。

图3 有限元计算模型

表1 材料参数表

在模型顶部设置250 kPa 水压力，用以模拟河道表面的水压力。输水管道内壁的水压力按照静水压力来考虑，每一节点上的压力与其深度呈正比。通过减小其管道内部的水头高度来反映维修过程中钢管排水的过程，本文共计算了管内水头为30 m、24 m、18 m、12 m、6 m 以及0 m 的6 个工况。当钢管内水头为零时，表示钢管已经排空，浮力达到最大。

2.2 有限元计算结果

（1）管道上浮位移

图4 是管道排水结束后的竖向位移，管内压力减小使管道直径缩小。当水头高于管顶时，管内水压力的变化并不会引起管道中心的位移变化，当水头降至管顶以下时，管道在浮力的作用下出现向上位移。当管内水完全排空，钢管中心整体上浮量达到2.21 mm。

图4 管道顶部上浮量

（2）钢管壁应力变化

图5 为管内水头为0 m 时每延米钢管压力分布，最大压力主要分布于钢管左右90°位置，最大压力为每延米1 134 kN。钢管壁厚为28 mm，可以得到各工况下钢管的压应力变化，见图5。钢管在上覆土的作用下呈受压状态，内水压作用下会使管壁产生环向拉应力，从而抵消一部分压应力。如图6 所示，随着管内水头高度由30 m 降低至0 m（即空管），管壁的最大压应力明显增大，由24.75 MPa 升高至37.64 MPa，能够满足设计要求。