输水管道埋深设计要点浅析

刘应忠，汪宾舟，陈佐豪

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

0 引言

输水管道设计中，合理的管道埋深对管道运行安全尤为重要。当管道穿越耕地时，若埋深不足，在后期农耕时相关农耕器械会对管道造成破坏，或者因埋深不足而发生浮管现象,当管道埋深过大时，管道外部覆土等荷载过大导致管道变形超限而发生破坏。地下埋管管道破坏后检修不便，若为有压输水管道，则还可能会造成爆管等现象，后果较为严重。因此，在管线征地为临时征地的输水管道进行布置时，选择合理埋深很是关键，在无其他工程措施情况下，应保证管道埋深在允许范围内，既满足最小埋深要求，也不超过允许最大埋深。

然而，在输水管道设计中，若严格按照常规条件下管道本身所能承受的管道埋深进行设计，则不可避免在起伏较多的山区地带，需要更长的管道，更多的弯头，更多的泄水阀和空气阀等。因而，在保证安全的前提下，经济因素则是需要着重考虑的。

文章以惠水县平寨水库输水管道工程为例，综合考虑安全与经济因素，对不同管径最大管道埋深进行计算，为管道的沿线布置提供依据。同时，在局部起伏较多的山区地带，对严格按照计算埋深布置管线和采取工程措施2种方案进行比选，选择更为安全经济的方案。

1 工程概况

惠水县平寨水库工程是综合利用的水利工程，作为坝王河流域规划的龙头水库，主要建设任务为供水、灌溉，兼顾发电，无防洪任务。平寨水库总库容7 940万m3，年供水量7 822.90万m3，灌溉面积9 113.33 hm2，根据供水对象重要性及输水流量，输水线路干管及建筑物按4级建筑物设计，支管及建筑物按5级建筑物设计。

输水管道工程主要包括干管、抵季支管、边阳支管和克度支管，管径DN900～DN2400，管节标准长度6 m，设计流量1.05～7.67 m3/s，总长52.52 km，其中干管(不包括隧洞部分)15.62 km、抵季支管4.40 km、边阳支管26.38 km、克度支管6.12 km。干管管径DN2400和DN2200，抵季支管管径DN900，边阳支管管径DN1600、DN1400和DN1200，克度支管管径DN1200和DN1000，管材均为离心球墨铸铁管，除干管7+590 m—干管7+763 m、干管8+227 m—干管9+891 m和干管13+258 m—干管14+911 m管件压力等级为K9级外，其余管段管件压力等级均为K8级。

2 管道埋深计算分析

2.1 计算理论与方法

输水管道允许最大埋深以管道径向变形率应不大于最大允许径向变形率作为控制条件进行计算：

管道径向变形率计算公式:

(1)

式(1)中：Δ—管道的径向变形率，%；Kx—变形系数；∑P—作用在管道上的竖向荷载，包括回填土荷载、地面堆积荷载(缺乏资料时可取为0.01 MPa)、车辆荷载，MPa；E′—管侧回填土的反作用模量，MPa；S—管的径向刚度，MPa。

管的径向刚度计算公式:

(2)

(3)

式(2)、(3)中：S—管的径向刚度，MPa；E—管的弹性模量，MPa；DE—插口外径，mm；enom—公称壁厚，mm；emin—最小壁厚，mm；em—计算壁厚，mm。

回填土荷载计算公式:

P1=0.001γH

(4)

式(4)中：P1—回填土荷载，MPa；γ—回填土重度，kN/m3；H—从管道顶部到设计地面的距离，m。

车辆荷载计算公式:

(5)

式(5)中：P2—车辆荷载，MPa；β—交通荷载系数；DN—管径，mm；H—从管道顶部到设计地面的距离，m。

2.2 参数选择和统计

根据管侧回填土压实度要求，输水管道管沟类型均为Ⅱ类。输水管道管径类型共有9种，回填土类型为A、B、C、D类。参数选择和统计结果汇总如下，见表1和表2。

表1 径向刚度和最大允许径向变形率表

表2 管侧回填土的反作用模量表

2.3 计算结果分析

根据输水管道管径类型、管沟类型和回填土类型，将输水管道允许最大埋深计算成果进行汇总分析，见表3。

通过对表3计算成果进行分析，输水管道允许最大埋深与回填土类型、管径、管道压力等级、管沟类型相关。在同一回填土类型情况下，输水管道允许最大埋深与管径呈负相关，随之减小而逐渐增大，即管径越小，所能承受的允许最大埋深越大。在同一管径情况下，A类回填土对应的管道所能承受的允许最大埋深最大，从A类到D类依次减小。另外，DN2400和DN2200均含k8和k9两种压力等级，在同一管径情况下，压力等级越高，所能承受的允许最大埋深越大。

表3 输水管道允许最大埋深成果汇总表

该输水管道工程管线征地为临时征地，故管道铺设为埋管，管道埋深覆土厚度≥0.70 m，穿越农田耕地时，应≥1 m。故在常规条件下(不采用工程措施)，除了埋深应小于允许最大埋深以外，还应满足最小埋深要求，以免管道因埋深不足或埋深过大而发生破坏。

3 埋深比选

在布置管道时，对于地形连续起伏的地区，根据管道布置情况适当下挖使管道剖面布置尽可能平直，以此减少管道、弯头、泄水阀和空气阀等工程量。管槽下挖带来的问题是最大埋深可能会超过允许最大埋深，对于这一问题的解决方案为采用混凝土包管的工程措施进行处理。采用混凝土进行包管一是增加了混凝土工程量，二是因为下挖增加了土石方开挖量，故设计时需要进行比较分析，判断何种方案更为安全经济。文章选取该输水管道工程的干管4+583.50 m-干管4+693.54 m段进行分析，采用的混凝土包管具体工程措施为：C20混凝土进行包管，包管范围为管槽基础到管顶30 cm以下部分。管沟开挖边坡坡比：土质边坡为1∶0.75，岩质边坡为1∶0.50；管沟底宽为3.40 m。表4为输水管道干管4+583.50m-干管4+693.54 m段2种方案的工程量汇总表，图1和图2为该管段2种方案的管道剖面布置图。从表4、图1和图2可知，该管段采用C20混凝土包管的方案土石方开挖量增加，也额外增加了C20混凝土工程量，但减少了一个镇墩，DN2400球墨铸铁管减少1 m，减少2个弯头，减少一个DN500泄水阀、一个DN250空气阀以及相应的阀室，具体2种方案的工程量及投资对比见表4。经比较，该管段采用C20混凝土包管布置节省投资8.81万元，更为经济，选择此方案。

表4 埋深比选工程量及投资汇总表

图1 按允许最大埋深布置形式图

图2 对管道进行包管布置形式图

4 结语

通过对输水管道埋深进行设计，有以下几点思考，以期为类似工程提供借鉴：①对于管道铺设为埋管的输水管道工程，管道最小埋深应满足要求，以免因埋深不足而出现浮管或管道被农耕器械破坏。在较为平坦或不宜深挖深埋的地区，管道最大埋深应小于允许最大埋深，以免管道变形超限而发生破坏。另外，在条件允许情况下，管道回填土的土壤类型尽可能选择A类和B类土壤，且管道回填土压实度应严格满足要求，以此保证管道允许最大埋深为较大值。②对于因下挖造成的管道埋深大于允许最大埋深的情况，可采用合理的工程措施如混凝土包管进行处理，并作方案比选，选择更为安全经济的方案。