PCCP管道承载特性及管线设计研究

周立坤

（凌源市应急供水建设管理处，辽宁朝阳122500）



PCCP管道承载特性及管线设计研究

周立坤

（凌源市应急供水建设管理处，辽宁朝阳122500）

摘要：输水管线周围的土体承载能力较低，孔隙较大，容易导致不均匀沉降。以青龙河引水工程输水工程为研究对象，首先对PCCP管道承载特性进行研究，分析了管道旋转角对承载特性的影响，并计算了管道位移特性。其次对PCCP管道设计进行探讨，研究了管道埋深和防腐。根据现场试验，提出了减小管道旋转角的方法，为类似输水管线工程提供参考和借鉴。

关键词：PCCP管道；承载特性；施工技术；青龙河

软土基的塑性较强，其固体力学性能与普通土基不同［1］。由于土体结构，软土基可以承受一定的外部载荷，具有固体的力学性能；但当外部载荷较大时，软土基发生塑性形变，同时由于软土具有较大的粘度，其经常导致管道事故［2］。PCCP管道直径较大，一般由预应力混凝土制备，具有良好的伸缩性和耐腐蚀性，抗渗能力也优于一般管道［3］。基于国内研究情况，对PCCP管道工作机理进行研究，分析了旋转角对运行的影响，计算了 PCCP管道的位移特性。通过现场试验，对PCCP管道施工工艺进行探讨，希望为今后输水管道结构设计提供参考。

1 PCCP管道承载特性

1.1 接缝宽度与转角关系

青龙河水源段为单管线输水，线路全长58.11km，其中管道长56.11km，隧洞长2km。PCCP管道直径为1200mm，其中过河和管道压力大于1.0MPa的为钢管，其他为 PCCP管。钢管长34.90km，PCCP管长为20.6km。PCCP管有内衬式（PCCP-L型）和埋置式（PCCP-E型）两种型式，本工程管径为1200mm，采用埋置式即PCCP-L结构。PCCP管道接口技术有单胶圈和双胶圈两种，双胶圈接口技术安装后可以进行密闭性检测试验，比单胶圈接口技术更加可靠，因此PCCP输水管道接口采用双胶圈技术［4］。

PCCP管道接头为搭接，正常工况下，接头可以旋转一定角度，这种设计组织了弯矩传递，使管

如管道直径为1.2m，则A点处的最大缝宽为2.3cm，当转角为1.5°时，PCCP管道间的最大缝隙为8.7cm。道具有较强的抗变形能力。但当旋转角度超限时，插接管出现较大应力，并使管道结构破坏。图1给出了管道旋转示意图，PCCP管道直径为D，长度为L，管道间的最大缝宽为Δ，最大旋转角为θ0，则：

图1 管道旋转示意图

1.2 弯曲管段受力分析

PCCP管道通过旋转可以抵抗刚性约束，但如果旋转角度超限，管道则会出现弯曲，假设此时的选择角度为θ（θ＞θ0）。转角位移计算式为［5］：

式中：MA B、MB A为2段管道的弯矩；θA、θB为旋转角；L为管道长度。

假设插入上一段管道的长度为6cm，管道直径1.2m，经计算得出不同超限旋转角度下的PCCP管道应力分布情况，如图2。由图2可知，管道旋转角超限0.01°时，PCCP管道中的最大应力已达264MPa；管道旋转角超限0.02°时，最大应力已达540MPa，已超过管道屈服应力，此时管道已经损坏。

图2 不旋转角度下最大应力分布

1.3 管道位移特性

在软土基上安装PCCP管道，由于载荷不均匀性，回填土会在自身重力的作用下出现不均匀沉降，这部分不均匀载荷作用在PCCP管道上，存在安全隐患［6］。因此分析PCCP管道的承载特性，首先应对不均匀沉降进行研究。当载荷大小相同，但土体材料不同时，管道就会出现不均匀沉降，为了研究不均匀沉降与管道旋转角的关系，建立了机动场极限分析理论，如图3。

图3 管道沉降与土体强度关系机理

假设单位长度的管道质量为pw，则软土基极限承载力pu=pw，管道外径为Dt，软土基不排水强度为c，则PCCP管道沉降计算式为［7-8］：

我国是一个农业大国，我国也是一个人口大国，因此，我国人民对于农作物的需求是非常大的。其中较为重要的一种农作物就是大豆。大豆不同于大米等用处较为单一，大豆本身的用处非常多，能够实现多样化使用。但是由于我国的农业生产一直都是小农耕种的情况，我国的大豆种植是没有一个严格标准的，从而导致了我国大豆的种植水平一直无法提高，这样就没有办法生产出优质的大豆。这对于我国种植行业而言，是非常严重的一个问题。基于此类情况，本文做出如下研究：

若管道1的不排水强度为30kPa，管道2的不排水强度为10kPa时，经计算2段管道间的旋转角度为0.5°。假设回填软土的压实度相应，当钢板桩撤出后，侧面地基土会对PCCP管道产生侧向压力，由于回填土和地基土的力学性能不同，因此相邻管段受到的载荷也不同，导致PCCP管道出现不均匀的水平位移。

2 PCCP管线设计

2.1 埋深设计

输水管道由南至北纵贯凌源市，穿越了凌源市大凌河西支和青龙河2条河流，所经地段主要为河道、河滩地、山沟、山坡地，管道埋深1.35m，开挖深度为3～4m，地层岩性主要为砂卵石、含碎石粘性土及少量的强弱风化岩。根据开挖断面地层岩性确定开挖边坡，砂卵石、含碎石粘性土、强弱风化岩的开挖边坡分别为1：1.5，1：1，1：0.75。根据开挖深度及边坡初步估算开挖量。

根据地质勘测资料，除个别地段外，管道地层岩性主要为砂卵石、含碎石粘性土及少量的强弱风化岩。基础承载力均大于150kPa，DN1200的PCCP管道埋深6m时对基础荷载为 80kPa，远小于基础未经修正的的承载力，基础承载力满足要求。在桩号为25+502～26+145的地段局部有淤泥质土为不良地质段，需换填砂土。将淤泥全部挖除，分层回填砂土，换填材料采用强度较高、稳定性较好、均匀掺加砂石料的粘土。换填垫层的厚度不宜大于3m，且下部淤泥层覆盖较薄，深度小于等于2m的淤泥质土层，采用换填垫层的方法处理，不同垫层厚度与PCCP管道旋转角的关系如图4。

图4 垫层厚度与PCCP管道旋转角的关系

由图4可知，随着垫层厚度的增加，PCCP管道旋转角逐渐降低，说明碎石垫层可以有效的将应力耗散。在管道施工中铺设碎石垫层，可以有效的减小管道转折角，提高管道使用寿命。

2.2 防腐设计

根据PCCP管道铺设段地下水和土壤资料，地下水对混凝土及钢筋均为无腐蚀，但对钢结构具有腐蚀性，所以PCCP管外壁不做防腐蚀处理，但管道承插口采用密封膏密封，防止地下水腐蚀承插口处钢结构。钢管内防腐层的措施十分重要，它不仅影响管道的使用寿命，而且还影响管道的输水能力。目前采用较多的钢管内防腐措施主要有水泥砂浆和有机涂料等。近年来无毒有机涂料在钢管内防腐中被大量采用，并取得了较好的效果。所以该输水工程钢管内防腐采用无毒环氧树脂涂料防腐。

2.3 试验段现场试验

由于 PCCP管道旋转角只有 0.1°～0.3°，因此可采用刚性防护措施对混凝土管道进行保护。当管道受到局部载荷作用时，刚性保护层可产生微小形变，抑止旋转角出现。在现场取1400m管线作为研究对象，管道编号为26-1250～26-2650，回填土压实度为85%，碎石垫层厚度为20cm。施工完成一段时间后，对现场PCCP管道旋转角进行测量，结果见表1。

表1 PCCP管道旋转角监测数据

从现场监测结果看，管线的平均旋转角最大值为0.8°，平均值为0.55°，与回填土压实度为90%相比，平均旋转角增大。对管线周围土体进行贯入试验，发现不均匀沉降是导致管道旋转的主要原因。由于压实度较低，20cm厚度的碎石垫层产生的形变不足以抵消局部载荷，因此应在此基础上铺设土工格栅，提高基底的力学性能。此外，施工中应尽可能的提高回填土的压实度，以减小PCCP管道旋转角。图5给出了间隙为0 cm和间隙为3.8cm的PCCP管口。

图5 管口处的间隙情况

通过理论分析和试验研究，得出了减小管道旋转角的施工工艺：

（1）在PCCP管道下方铺设碎石，在管道侧方设置砂包角；

（2）土质较差时，应铺设20cm以上的碎石垫层并设置土工格栅；

（3）尽可能的提高回填土的压实度。

3 结语

当外部载荷较大时，软土基发生塑性形变，同时由于软土具有较大的粘度，其经常导致管道事故。PCCP管道直径较大，一般由预应力混凝土制备，具有良好的伸缩性、耐腐蚀性和抗渗能力。本文首先对PCCP管道工作机理进行研究，分析了旋转角对运行的影响，计算了 PCCP管道的位移特性。通过现场试验，对PCCP管道施工工艺进行探讨，研究表明：钢板桩撤出后，侧面地基土会对PCCP管道产生侧向压力，导致出现不均匀水平位移；管道施工中铺设碎石垫层，可以有效的减小管道转折角，提高管道使用寿命。

参考文献

［1］吴海林，冉红洲，周宜红.考虑混凝土软化特性的钢衬钢筋混凝土压力管道承载性能研究［J］.应用基础与工程科学学报，2014（06）：1108-1114.

［2］贺杰.浅谈大型供水工程科技档案管理模式［J］.水利建设与管理，2015（01）：76-78.

［3］孙显峰.管道阴极保护防腐措施在大伙房输水工程中的运用［J］.中国水能及电气化，2015（06）：35-37.

［4］李保华.大口径PCCP管线承插式绝缘接头技术研究［J］.水利规划与设计，2015（05）：65-66+94.

［5］唐连涛.PCCP插口内壁混凝土环裂形成机理及控制措施研究［J］.水利规划与设计，2015（05）：67-69.

［6］武立强.用早龄期法推定PCCP管芯混凝土 28d抗压强度［J］.水利技术监督，2015（03）：60-62+98.

［7］乔裕民，侯仰增，毕士君，金晓鸿.PCCP管道外防腐涂料消耗量计算方法的探讨［J］.水利规划与设计，2013（04）：59-61+77.

［8］于龙.关于PCCP管道采购招标控制价编制的探讨［J］.水利技术监督，2014（06）：27-29.

中图分类号：TV672+.2

文献标识码：B

文章编号：1008-1305（2016）02-0045-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.020

收稿日期：2015-08-26

作者简介：周立坤（1980年—），男，工程师。