大管径长距离拼装钢波纹管在山洪防治工程中的应用

张 璐，刘渊博，阿怀瑾

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

0 引言

排洪管涵作为排洪工程中常见构筑物，大多为钢筋混凝土结构，存在施工周期长、地基适应性差等缺点[1]。近年来，我国基础设施建设迅速发展，一些新的工艺正在逐渐发展，其中钢波纹管涵作为一种新型的材料结构，在排水工程中的应用越来越广泛。相比传统管涵结构，钢波纹管结构简单、可标准化生产、施工速度快，建设周期短，现场安装不需要大型设备，运输安装方便，对基础气候条件要求不高，用在工程建中存在软土、冻土、湿陷性黄土、膨胀土等不良地质条件下可起到较好的效果[2]。

目前钢波纹管在公路涵洞中应用较多，在水利工程中鲜有应用[3]，但由于公路工程排水涵洞普遍具有线路直，长度短、无分支、过水时间短、防渗要求不高等特点，较少遇到长距离管道中不均匀沉降、管道转弯或与分支衔接、防渗要求高等问题。本文通过介绍大管径、长距离、拼装钢波纹管在山洪防治工程中的设计情况，对大管径、长距离钢波纹管在不均匀沉降、防水性能、管件及连接方式、辅助设备等方面进行了更进一步的论述，希望加强对钢波纹管在水利工程中应用的研究，并为这种管材在水利工程中的应用提供借鉴。

1 工程概况

某工程位于陕西省北部某城市，项目区周边低山环抱，降水具有年际变化大，年内分配不均的特点，降雨集中于夏季且多阵雨、暴雨，容易形成山洪灾害，为了保证项目区防洪安全，工程设计沿周边山体修建截洪渠道将周边洪水收集，收集后的洪水通过两根排洪管道排泄至下游湖体中。排洪管道最长为2.17 km。最大设计流量为56 m3/s。管道沿线地质条件为人工整平压实沟道，排洪干、支渠以压实填土为主，压实填土层层厚7.50～15.60 m。

2 管材选择

工程设计结合水文、地形条件，进行了过流能力计算，通过计算确定排洪管道设计管径为3.5 m。满足要求的排水管道有钢筋混凝土管、预应力钢筋混凝土管、钢波纹管。钢筋混凝土管与预应力钢筋混凝土管有管道耐压性强、糙率小，管件连接技术成熟等优点，但管道重量大，管道施工需要吊装，工程区为人工回填地基，管槽需采用混凝土基础，基础尺寸大，工程量大，工程投资高；钢波纹管强度高，耐压性强，3.5 m 以上同等管径价格较混凝土管低，经比较，采用钢波纹管较采用钢筋混凝土管每延米综合单价节省约40%，经济效益显著。钢波纹管对复杂地形能力适应性较强，管道重量轻，运输方便，可现场拼装，施工简单快速。因此，选择钢波纹管。

3 管道设计

3.1 管径选择

通过前期咨询与市场调查，满足本工程设计覆土厚度的钢波纹管基本有两种，管径不大于3.0 m，管道为整体型管道，管径大于3 m，管道为拼装管道。本次采用3.0、3.5、4.0 m三种管径比选，确定满足过流能力且经济的管径。

干管管道长2.17 km，管道底坡比降为0.04～0.06，目前在水利行业尚无钢波纹管设计规范，设计中参考了部分省份公路工程行业的地方标准，管道糙率取0.033。根据工程布置干管上设置了调蓄水池且沿途有支管汇入，管道过流能力计算采用涵洞过流能力计算公式，根据每段管道流量、洞径、洞前水位、洞长、比降等判断管道内流态，从而选择不同公式进行过流能力试算。

通过计算分析，采用3.0 m 管径计算时管道为有压过流状态，过流能力不满足，采用3.5 m与4.0 m管径计算时，管道为无压流状态，可满足过流能力且满足管道过流断面净空面积不小于15%的要求，所以选择管径为3.5 m。

3.2 结构设计

设计参考《公路波纹钢涵洞技术规程》（TCECSG：D66-01-2019），计算时首先计算管顶荷载产生内力；然后按承载能力极限状态进行作用效应组合，计算最不利效应组合；初步选取合适的波形及钢波纹管，根据钢波纹管规格参数计算钢波纹管结构设计抗压承载力；根据结构破坏条件进行验算，判断强度要求是否满足承载能力的要求，若满足则选定的波形及钢波纹管满足要求，若不满足在重新选取合适的波形及钢波纹管，进行以上计算。

3.2.1 内力计算

根据《公路波纹钢涵洞技术规程》（TCECSG：D66-01-2019），钢波纹管道内力应考虑管顶永久作用、可变作用、地震作用产生的管壁压力。本工程管道上部仅有覆土，覆土厚11 m，管道上不过车，无活荷载，不考虑可变作用，工程区地震烈度为Ⅵ，不考虑地震作用，管顶设计压力只考虑永久作用，即上部填土产生的管道压力。

管壁压力按式（1）、（2）计算：

式中：FG为永久作用产生的每延米管壁压力标准值，kN/m；kf为考虑结构起拱效应的土压力增大系数，取1.25；W为拱上填土每延米的重量，kN/m；Cs为考虑回填土性质与结构尺寸的轴向刚度参数；Es为土体压缩模量，MPa；E为波纹钢材料的弹性模量，GPa；dv结构的竖向计算直径，m；A为每延米波纹钢截面面积，m2/m。

经计算，管壁压力γG,G为584.13 kN。

3.2.2 最不利效应组合

承载能力极限状态设计时应考虑多种作用效应的组合，并取最不利效应的组合进行设计。

式中：Ed为设计作用效应组合；γG、γQ、γE、分别为永久作用、可变作用、地震作用组合系数；G为永久作用；Q为可变作用；Eu为竖向地震作用。

管道实际运营阶段无可变荷载，不考虑地震作用，所以只考虑永久作用，Ed=γG,G=584.13 kN。

3.2.3 极限承载状态下的管道设计抗压承载力

选用波形参数200 mm×55 mm，壁厚6 mm的钢波纹管。波纹管截面积7.1 mm2/mm，惯性矩2766 mm4/mm，回转半径19.7 mm。

管道的设计抗压承载力可按式（5）～（9）计算：

式中：Ru为波纹钢结构设计抗压承载力，MPa；I为每延米波纹钢截面惯性矩，m4/m；r为波纹钢结构的曲率半径，m;re为等效半径，m；k3为结构屈曲应力折减系数；fy为波纹钢材料的屈服强度，235 MPa；k5为波纹钢结构管壁与相邻土体的相对刚度系数；i为波纹截面的回转半径，m；k6为从管顶至管侧土体刚度变化系数；Esm为土体平均压缩模量的修正值，MPa；H为结构填土高度，m；H˙为起拱线到拱顶之间竖直距离的一半，m；rt为结构拱顶处曲率半径，m；k7为计算管壁相对刚度k5的系数。

经计算，波纹钢结构设计抗压承载力Ru为

174.15 MPa。

3.2.4 结构破坏验算

当计算的管壁应力小于钢波纹管设计抗压承载力或波纹钢材料的屈服强度的最小值的80%时，认为所选管道规格满足设计要求。结构破坏验算可根据式（10）进行：

式中：∅c为抗压承载力的材料抗力系数，取0.8；F为运营阶段波纹钢截面承受推力组合值，取组合值（γG,G,γQ,Q）、（γG,G,γE,Eu）的最大值，即F=γG,G=584.13 kN。

3.3 基础沉降设计

本工程单根管线最长达2.16 km，工程区管道基础为人工整平压实沟道，虽然钢波纹管适应变形能力强，但考虑到人工压实沟道施工回填过程中存在压实不均匀的问题，会导致管道产生不均匀沉降，引起管道变形，对管槽进行了一定处理。首先，对管道基础进行处理，管沟开挖后，对管沟进行夯实处理，管道底部铺设0.7 m 厚3∶7 灰土垫层，灰土分层夯实，压实度不小于0.95，上铺0.3 m的粗砂垫层，粒径不大于12 mm，管槽采用开挖土回填。在钢波纹管与蓄水池、消力池等大型混凝土构筑物连接部位、基础地层岩性不一致部位、开挖回填分界线处设置了伸缩装置。但是由于目前类似工程中使用伸缩装置较少，缺乏对钢波纹管伸缩装置效果的使用研究，下一步将进一步研究不同伸缩装置的防沉降性能。

3.4 防水设计

拼装钢波纹管防水主要是从管片安装方式和采用密封材料控制。在以往钢波纹管使用经验中，拼装钢波纹管防水结构为搭接式防水结构（见图1），其组装形式为将两片波纹板重叠在一起，使用螺栓将两片板穿接在一起，在这个过程中，板片间的缝隙、穿透板片的通孔，以及螺栓与孔间的间隙，均为渗水漏水的可能出现点。这种连接方式中主要渗漏点为环向搭接缝处，出现渗漏主要原因为柔性地基在回填完成后的几个月内出现不均匀沉降，造成部分位置搭接缝受拉伸作用，部分位置受挤压，螺栓不再位于原有的位置，导致密封材料偏差，出现渗漏点。

图1 搭接式防水结构

外翻边法兰工艺是法兰与钢波纹管板片为一个整体，法兰高70 mm，板片通过螺栓紧固。采用这种连接方式，螺栓没有穿透波纹板的内外壁，环向成为单一的线渗漏，没有点渗漏的存在，即使挤压或拉伸，也不会造成螺栓在孔内移动。本工程采用外翻边法兰工艺连接钢波纹管，此外，在管节与管节之间、管箍与管节之间、法兰盘之间以及搭接的钢波纹钢板件之间采取密封措施，接缝处设密封条，并涂密封胶，管道外壁设一道防水布，防水布采用金属铝箔自粘防水材料（见图2）。

图2 外翻边法兰工艺防水结构

3.5 转角及连接设计

拼接钢波纹管无预制管件，工程中遇到管径变化、分岔等衔接段需要定制变径管、三通等管片。工程设计中根据实际搭接后的单节有效长度设置转弯半径并将管道分为多段单节管道，再由螺栓将多个单节管道上法兰片紧固后连接成整体，一般单节管道有效长度小于1.15 m。此外，为避免转弯段水流冲击管道使法兰连接处受拉变形，可在转弯段设置镇墩，减少管道水平向位移。

4 结语

目前钢波纹管在水利工程中应用较少，无行业设计规范，但钢波纹管在实际工程中应用的优势将促进它在水利项目的应用和推广。本文设计采用的钢波纹管为大管径、长距离、拼装钢波纹管首次在城市山洪治理中的应用，通过采用钢波纹管，工程建设投资减少、工程周期缩短。钢波纹管在本水利工程中的成功应用，可以为类似项目提供参考。