大口径PCCP管道无靠背水压试验探析

汤国丽，张紫涵，白丽丽

（1.内蒙古引绰济辽供水有限责任公司，内蒙古 兴安盟 137400；2.通辽市水务建设投资集团有限公司，内蒙古 通辽 028000）

PCCP管道在国内大型水利工程中的使用比较广泛，按照SL 702-2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》[1]，管道安装完成后应进行管道功能性试验，压力管道须按照规范要求进行水压试验，科学、合理的设计管道水压试验，不仅能降低水压试验成本，还能保障水压试验的安全性、可靠性。下文通过收集大量的理论资料与实地质量检测，对大口径PCCP管道无靠背水压试验流程进行整理概述，以此总结引绰济辽工程水压试验中各项管控要点，提高试验成功率。

1 水压试验

1.1 原理

无靠背水压试验是通过在试验段的两端安装带堵板的打压管，取代1节PCCP标准管，利用两侧已安装并回填的PCCP管道与土的摩擦力抵挡水压推力。打压管及两侧PCCP管道内缝、外缝填充水泥砂浆，形成一个稳定的受力整体。采用打压管的无靠背水压试验工艺，具有施工简单、可靠性高、节约成本、地质条件适应性强等优点，水压试验分段灵活，且不会制约管道安装进度，能够有效地提高分段水压试验的经济性、安全性。

1.2 特点

1）专用打压管堵板两侧分别设置人孔，为了保障人员安全，要求施工单位在堵板上提前埋设安全监测点并从人孔引出，通过测量引出监测点的情况，判断堵板是否发生位移、变形。

2）采用安装的专用打压管作为水压试验段堵头，取代1节PCCP标准管，利用已安装的PCCP管道与土的摩擦力抵挡水压推力。

3）不用制作安装管道堵头及混凝土靠背，避免为水压试验预留后期二次合拢段，极大地降低施工成本，且不影响后续管道安装。

4）对于淤泥等不良地质段的已安装管道水压试验，该方法可以有效减小后靠背不稳定对水压试验的影响。

5）水压试验完成后，可将该段内的试验用水通过泄压或者抽水的方式导入相邻的水压试验段，循环利用水资源，很好地解决水资源不足地区的管道用水问题。

2 试验流程及管控要点

无靠背水压试验流程：打压管设计→打压管堵板可靠性试验→水压试验分段→止推计算→打压管及两侧管道安装及回填→水源选择及设备仪表安装→水压试验→排水泄压及支管封堵。

2.1 打压管设计

分段水压试验用打压管由PCCP管厂负责设计，打压管内径及压力等级与试验管道一致，打压管设有支管和堵板。每个打压管上对称设置2个支管，支管内径一般为70 cm，主要用于注水、升压、泄水等，支管内径不宜太小，以便施工人员由此进入管道内部。堵板厚度根据水压试验压力进行计算，堵板两层设有加强肋，为避免试验过程中堵板变形，必须保证堵板厚度。

该工程要求管厂上报打压管结构设计至设计院审批，设计院批复结构设计合格后，管厂需报送打压管生产图纸至监理单位审批，在打压管制造过程中，严格按照监理批复图纸进行生产，确保打压管生产质量。

2.2 打压管堵板可靠性试验

为确保打压管的可靠性，要求在厂内提前进行压力试验。试验方法是将两根已生产完成的打压管焊接在一起，在两块堵板中间注水升压，试验压力与分段水压试验压力值相同，升至试验压力后，若两侧堵板无形变、无漏水现象，则打压管设计符合要求，否则必须重新设计、试验。

2.3 止推计算

2.3.1 最小止推管道长度

几何参数包括公称内径Di、接口直径Dj、管外径Bc、钢筒内径Dyi；力学指标包括钢筋混凝土容重γc、砂浆容重γm、钢材比重γs、水的比重γf；工作条件包括管线工作压力Pw、管线试验压力Pt、止推范围内下游实际覆土平均高度H下、止推范围内上游实际覆土平均高度H上、土壤容重ω、地下水位埋深Hf、土壤浮容重ωf、管道—土壤摩擦系数f、抗滑稳定性抗力系数Ks。

1）PCCP管自重

2）管内水重

水压试验时两侧管道按空管考虑，因此，Ww=0 kN/m。

3）管上方土体重量

上游段管上方土体重量：

下游段管上方土体重量：

4）管子浮力

5）接口横截面面积

6）水平推力

7）管道要求抗侧滑力

8）最小止推管道长度

上游段最小止推管道长度计算：

下游段最小止推管道长度计算：

即要求上游方向提供止推力的管道直线距离为LZS1、下游方向提供止推力的管道直线距离为LZS2。该工程在止推计算过程中，要求施工单位充分考虑地下水带来的浮力影响，同时，为确保水压试验安全，要求打压管上下游已安装且回填完成管道距离大于计算距离2倍以上。

2.3.2 管道接口允许最大压力计算

允许最大压力按CECS 246-2008《给水排水工程顶管技术规程》[2]并参考美国标准ASCE 27-17《预制混凝土管顶管设计规范》[3]，假定顶力存在偏心，管道截面压应力呈三角形分布，管道一侧为0，另一侧受力最大，计算公式：

式中：Fdc为允许顶力设计值，N；φ1为混凝土材料受压强度折减系数，取0.9；φ2为偏心受压强度提高系数，取1.05；φ3为材料脆性系数，取0.85；φ5为混凝土强度标准调整系数，取0.79；γod为活载分项系数，取1.0；Dw为PCCP承压面外直径（管芯外径），mm；Dn为PCCP承压面内直径（承口导坡直径），mm；fc为混凝土轴心抗压设计强度，MPa。

水压试验时仅考虑用PCCP外圈混凝土（不考虑保护层）来平衡顶推力。经计算出的允许顶力Fdc需大于水压试验时的水平推力T。

2.3.3 接口砂浆最小强度

水压试验时，PCCP管道接口砂浆最小强度按下式计算：

设计及实际施工的接口水泥砂浆强度均应大于计算出的最小强度。通过计算，该工程接口砂浆最小强度要求约为6 MPa，为确保水压试验安全，工程统一要求接口砂浆强度达到设计强度，即20 MPa。

2.4 打压管及两侧管道安装、回填

2.4.1 打压管安装及回填

由于堵板限制，打压管安装无法采用内拉法，施工单位安装打压管时采用挖掘机配合履带吊进行吊装，借助挖掘机的推力将打压管顶至设计位置，注意管材保护，挖掘机铲斗与打压管管口设置弹性垫层，避免损伤管口，工程安装打压管时要求全程监理。

2.4.2 水压试验段两侧管道安装及回填

为保证水压试验段两侧管道安装及回填质量，工程特提出如下要求：安装时打压管及两侧止推范围内的管道接口间隙按照下限值进行控制；打压管及两侧止推范围内的管道接口砂浆质量要重点控制，确保砂浆强度、密实度合格，尤其是打压管及附近管道的接口砂浆，处理不好会直接影响水压试验成败；打压管及两侧止推范围内的管道回填质量要重点控制，分层对称回填，回填后按照规范要求频次取样检测，确保压实度满足设计及规范要求。

2.5 水源选择及设备、仪表安装

2.5.1 水源选择

工程要求采用河流、水渠进行注水时，在水泵四周设置一层过滤网，避免杂物抽入管道内。升压点的打压管设置打压泵、注水管路、排气阀、止回阀、压力表、观测针、水表及排水管，另一端的打压管设置压力表及位移观测针。

2.5.2 设备、仪表安装

打压仪器、设备布置示意图如图1所示。

图1 打压仪器设备布置示意图

2.6 水压试验

2.6.1 注水

在进行试验段内的管道注水时，要注意打开高点的排气阀进行排气，并根据排气情况判断管道内的水位情况。

2.6.2 升压

管道注满水后，对管道进行72 h浸泡，浸泡结束后缓慢逐级升至试验压力，每级升压0.2 MPa，并观察10 min，检查接口、配件、管身等无破损及漏水现象。

2.6.3 压力降试验

达到试验压力后稳压15 min，压力下降不超过0.03 MPa时，压力降试验合格。

2.6.4 渗水量试验

采用渗水量作为最终合格判定依据时，根据注水法进行渗水量检测。注水法试验应按下列程序进行：水压升至试验压力后开始计时。每当压力下降，应及时向管道内补水，但降压不得大于0.03 MPa，使管道试验压力始终保持恒定，延续时间不得少于2 h，并计量恒压时间内补入试验管段内的水量；根据规范，最大渗水量：

实测渗水量计算：

式中：q为实测渗水量，L/(min·km)；W为恒压时间内补入管道的水量，L；T为从开始计时至保持恒压结束的时间，min；L为试验管段的长度，m。

工程采用PCCP管道内径为2 800 mm与3 200 mm两种，DN2800管道允许最大渗水量为7.41 L，DN3200管道允许最大渗水量为7.92 L。

2.7 排水泄压及支管封堵

2.7.1 支管封堵

水压试验经过建设单位、监理单位、设计单位、管材制造单位、施工单位等共同验收合格通过后，进行缓慢降压，不能引起颤动，要缓慢开关阀门，防止产生水锤，任何情况下阀门不能全开，同时逐步打开放气阀，保证管道排气过程中，空气及时补充进管道。

试压段排水，根据现场实际情况一部分水注入相邻管线试验段，一部分可通过排水阀井利用水泵排至附近河沟。排水时应防止形成负压，排水过程中应注意控制阀门的打开度。

2.7.2 支管封堵

管道内检查完毕后，进行打压管支管封堵，封堵采用焊接堵板及浇筑混凝土的方式进行，在完成封堵板角焊缝的焊接后要进行探伤检测。工程已要求设计单位明确打压管支管处理方案，封堵施工时严格按照设计要求执行。

3 试验结果

2021年度，引绰济辽输水管线工程共有7个标段完成首段水压试验，试验结果见表1，均为合格。

表1 水压试验段统计表

4 结语

管道水压试验是对压力输水管道工程中的管道、接头、管件、阀件、镇墩、连通等附属建筑物的设计、施工、安装阶段的综合验证。引绰济辽工程建设单位高度重视水压试验，试验前组织参建单位进行试验方案审查，试验过程中组织四方现场见证，共同记录试验数据、检查试验管线段是否有漏水现象。通过对水压试验要点的充分准备、管控、总结，提高了试验成功率，为类似工程提供借鉴。