输水管道跨越廊涿干渠方案研究

赵璐瑶

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250）

1 工程概况

河北省农村供水保障体系省级筹建工程涿州市项目是以南水北调中线工程为水源， 通过新建地表水厂和输水管道，实现向农村延伸供水，置换原有地下水开采。 本工程涿州市农村受水区人口34.3万，新建东城坊地表水厂和松林店第二地表水厂， 新建水厂以上输水管道1.4km，新建水厂至配水站输水管道51.8km， 其中水厂以下输水管道南支管线（DN500）向南至孙庄配水站输水， 与南水北调配套廊涿干渠交叉。 交叉处廊涿干渠桩号LZ1+780，廊涿干渠在涿州境内自三岔沟口门向东双管铺设， 管材为预应力钢筒混凝土管（PCCP），单管管径DN2400，干渠管顶覆土深度2.5m， 干渠左侧管顶以上0.5m处敷设有通信光缆。

2 跨越方式比选

2.1 水平定向钻施工方案

本工程跨越处地层主要为第②3细砂层（Q43alp）、第②6层卵石（Q43alp），卵石含量较多，粒径较大，根据水平定向钻和地层条件的适应性关系， 该处地层为松散-密实卵砾石层［2］，不适合进行水平定向钻跨越，施工难度大。

2.2 顶管方案

当土层中砾石含量大于30%或粒径大于200mm的砾石含量大于5%时，不宜采用顶管施工［3］。本工程跨越处地层卵石含量较多，粒径较大，不适合采用顶管跨越方案，施工难度大。

2.3 人工开挖跨越方案

采用人工开挖方式跨越廊涿干渠，开挖施工是最常见的施工方法，施工简单，投资较低，安全且质量利于控制，但受埋设深度的限制，输水管道管顶覆土较浅， 且在运行过程中会影响廊涿干渠的检修。

综合分析， 廊涿干渠自LZ0+000～LZ7+700范围内地层情况均为卵砾石层，卵石含量较多，且厚度较大， 输水管道跨越廊涿干渠不适合采用水平定向钻及顶管施工方案， 本工程确定采用人工开挖施工方式跨越南水北调配套廊涿干渠。 输水管道与廊涿干渠交叉角度89°，跨越长度50m，跨越段管材采用涂塑钢管，铺设输水管道管中心标高54.82m，廊涿干渠管中心标高52.38m， 输水管道与廊涿干渠垂直净距0.75m，与通信光缆垂直净距0.25m，输水管道管顶覆土1.22m。 施工时需先探测廊涿干渠和通信光缆的具体位置，严格按设计要求人工开挖及回填，不得扰动廊涿干渠，不得破坏通信光缆。

3 管道结构设计

3.1 钢管结构设计

根据GB50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》、CECS141∶2002《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》，对一般直埋段涂塑钢管D529×8进行荷载计算、强度计算、稳定计算、抗浮计算和刚度计算。 D529×8在1.5m的覆土情况下即满足钢管结构计算要求，但是《其他工程跨越下穿邻接河北省南水北调配套工程设计及安全评价技术要求》 中规定管道结构设计应在原设计基础上提高一个设计等级，为了体现技术要求，所以强调提高了一个等级，最终选用D529×10。

3.1.1 荷载计算

式中 G1k为钢管管道自重（kN/m）；D0为钢管管道计算直径，按圆心至管壁中线计算（m）；t为管壁设计厚度（m），取0.008m；γst为钢管管材重度，78.5kN/m3。 经计算，D529×8钢管管道自重1.03kN/m。

式中 Fsv，k为竖向土压力 （kN/m）；γs为回填土重度（kN/m3），21kN/m3；Hs为管顶至设计地面的覆土高度（m）；D1为管外壁直径（m），0.529m。 经计算，竖向土压力为13.74kN/m。

水的重度标准值取10kN/m3，经计算，钢管内水重Gwk=2.07kN/m。

式中 Fwd，k为钢管管道的设计内水压力， 不小于900kN/m2；Fwk为钢管管道的工作压力，400kN/m2。

钢管管道在运行过程中可能产生的真空压力，取Fvk=50kN/m2。地面堆积荷载qmk=10kN/m2。地下水埋深大于8m， 管道埋设在地下水位以上， 无需计算抗浮。

3.1.2 强度计算

钢管管道强度计算应满足：

式中 f为钢管管材或焊缝的强度设计；η为应力折算系数，取0.9；γ0为管道结构重要性系数，取1.1；σθ为钢管管壁截面的最大环向应力（N/mm2）；σ为钢管管壁截面的最大组合折算应力（N/mm2）。 经计算，ησθ=91.10N/mm2，γ0σ=129.56N/mm2，满足强度设计要求。

3.1.3 稳定计算

进行埋地柔性管道的管壁环向稳定性计算，在地面堆积荷载工况下管壁截面压力为171.95kN/m2，管壁截面失稳的临界压力标准值为2099.84kN/m2，满足稳定性要求。

3.1.4 刚度计算

钢管管道在准永久组合作用下的最大竖向变形验算，应满足：

经计算，ωd，max=0.003mm，φD0=15.63mm， 满足变形要求。

直埋段涂塑钢管D529×8满足在承受内水压力、外水压力、 土压力情况下的强度、 刚度和稳定性验算。根据《其他工程跨越下穿邻接河北省南水北调配套工程设计及安全评价技术要求》，跨越配套工程管理范围和保护范围内的管道结构（如管道壁厚、管道防腐等）设计应在原设计基础上提高一个设计等级，以降低工程失事的概率。 本工程跨越廊涿干渠的输水管道选用D529×10涂塑钢管， 基材选用螺旋焊管，材质Q355C，内防腐采用涂热熔结环氧树脂粉末，外防腐采用外热涂聚乙烯。

3.2 干渠顶部荷载验算

涂 塑 钢 管D529×10 自 重1.28kN/m， 水 容 重 取10kN/m3， 管道中充满水时每延米重量3.31kN/m；未铺设管道时，管道位置每延米土重量（土天然容重取18.7kN/m3）为4.11 kN/m。 即管道充满水时每延米重量小于管道位置原土每延米重量， 铺设输水管道不增加干渠顶部荷载，不会对干渠结构造成影响。

4 跨越段管道支撑设计

直埋式跨越方案施工简单、投资较小，但在运行过程中管道发生渗漏或达到使用年限后检修困难［4］，考虑廊涿干渠检修时开挖导致输水管道悬空， 在交叉处输水管道两侧5m范围以外设置支撑， 支撑采用桩柱结构，支座长1.2m、宽0.6m、高0.6m，钢筋混凝土桩直径0.6m，桩长3m，桩底高程51.09m；管道与支座处采用鞍型支撑。

4.1 桩长计算

桩基设计计算按照JTG 3363—2019 《公路桥涵地基与基础设计规范》规定进行，主要计算工具为软件“桥梁通CAD8.0”。桩基内力采用《公路桥涵地基与基础设计规范》中的“m”法计算。 摩擦桩单桩轴向受压承载力特征值Ra，可按下列公式计算：

式中 Ra为单桩轴向受压承载力特征值（kN），桩身自重与置换土重（当自重计入浮力时，置换土重也计入浮力） 的差值计入作用效应；u为桩身周长（m）；Ap为桩端截面面积（m2），对于扩底桩，取扩底截面面积；n为土的层数；li为承台底面或局部冲刷线以下各层土的厚度（m），扩孔部分及变截面以上2d长度范围内不计；qik为与li对应的各土层与桩侧的摩阻力标准值（kPa），宜采用单桩摩阻力试验确定，当无试验条件时按《公路桥涵地基与基础设计规范》选用，扩孔部分及变截面以上2d长度范围内不计摩阻力；qr为修正后的桩端土承载力特征值（kPa）；fa0为桩端土的承载力特征值（kPa）；h为桩端的埋置深度（m），对有冲刷的桩基， 埋深由局部冲刷线起算； 对无冲刷的桩基，埋深由天然地面线或实际开挖后的地面线起算；h的计算值不应大于40m，大于40m时，取40m；k2为承载力特征值的深度修正系数；γ2为桩端以上各土层的加权平均重度（kN/m3），若持力层在水位以下且不透水时，均应取饱和重度；当持力层透水时，水中部分土层应取浮重度；λ为修正系数；m0为清底系数。

表1 桩长计算成果

4.2 挠度计算

当廊涿干渠检修时开挖会导致输水管线悬空，按CECS 214∶2006《自承式给水钢管跨越结构设计规程》对挠度进行验算，公式如下：

式中 gk为分布恒荷载标准值 （N/mm）；qk为分布活荷载（N/mm）；L为计算跨度（m），根据布置取18.3m；E为弹性模量（N/mm2），取2.06×105N/mm2；I为惯性矩；D为钢管外径（m）；d为钢管内径（m）；W为计算挠度；W允为允许挠度，取L/250。 经计算，挠度值W=L/428＜W允=L/250，满足规范要求。

图1 输水管道跨越廊涿干渠断面图

5 影响分析

5.1 跨越工程影响分析

跨越工程设计评价主要包括工程线路选择的合理性、 管道跨越方案评价及建筑物工程影响评价等内容［5］。

本工程采用人工开挖跨越廊涿干渠，跨越长度50m，与干渠交叉角度89°，满足《其他工程跨越下穿邻接河北省南水北调配套工程设计及安全评价技术要求（试行）》4.2.2条“其交角不宜小于70度”的要求。

输水管道与廊涿干渠垂直净距0.75m，满足《城市工程管线综合规划规范》 中给水管线与给水管线最小垂直净距0.15m的要求；输水管道与通信光缆垂直净距0.25m，满足《城市工程管线综合规划规范》中给水管线与通信管线最小垂直净距0.15m的要求；输水管道管顶覆土1.22m， 此地区最大冻土深度为0.7m，满足《城市工程管线综合规划规范》中非机动车道最小覆土深度0.6m的要求。

输水管道从廊涿干渠上方交叉跨越， 考虑干渠检修时开挖导致输水管道悬空， 在跨越处输水管道两侧5m范围以外设置支墩， 故工程实施对配套干渠维修施工影响较小。

输水管道跨越进、出口距廊涿干渠25m，工程运行基本不影响配套工程安全，且输水管道沿线上、下游设有检修阀，如发生事故可就近关闭检修阀，快速有效控制对配套工程造成的不利影响。

5.2 水质影响分析

输水管道输送介质为地表水厂处理后的引江水，配套工程输送介质为引江水原水，跨越工程位于配套工程上方， 两者相互独立， 均采用封闭管道输送， 跨越工程布置不影响配套工程的运行安全和供水安全。

6 结语

输水管道跨越南水北调配套工程应根据不同的地质情况和现状条件选择合适的跨越方式，本工程跨越廊涿干渠采用人工开挖跨越干渠方式，跨越长度50m，跨越段采用涂塑钢管，跨越处输水管道两侧5m范围以外设置支墩，施工组织堆土区、绕行路合理安排不占压现有廊涿干渠管线，并在现有干渠临时占地边线设置硬质围挡防护，保证了对廊涿干渠的日常运营无安全影响，可为类似跨越工程提供参考。