大口徑PCCP管道無(wú)靠背水壓試驗(yàn)探析

湯國(guó)麗，張紫涵，白麗麗

（1.內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 興安盟 137400；2.通遼市水務(wù)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

PCCP管道在國(guó)內(nèi)大型水利工程中的使用比較廣泛，按照SL 702-2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》[1]，管道安裝完成后應(yīng)進(jìn)行管道功能性試驗(yàn)，壓力管道須按照規(guī)范要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)，科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)管道水壓試驗(yàn)，不僅能降低水壓試驗(yàn)成本，還能保障水壓試驗(yàn)的安全性、可靠性。下文通過(guò)收集大量的理論資料與實(shí)地質(zhì)量檢測(cè)，對(duì)大口徑PCCP管道無(wú)靠背水壓試驗(yàn)流程進(jìn)行整理概述，以此總結(jié)引綽濟(jì)遼工程水壓試驗(yàn)中各項(xiàng)管控要點(diǎn)，提高試驗(yàn)成功率。

1 水壓試驗(yàn)

1.1 原理

無(wú)靠背水壓試驗(yàn)是通過(guò)在試驗(yàn)段的兩端安裝帶堵板的打壓管，取代1節(jié)PCCP標(biāo)準(zhǔn)管，利用兩側(cè)已安裝并回填的PCCP管道與土的摩擦力抵擋水壓推力。打壓管及兩側(cè)PCCP管道內(nèi)縫、外縫填充水泥砂漿，形成一個(gè)穩(wěn)定的受力整體。采用打壓管的無(wú)靠背水壓試驗(yàn)工藝，具有施工簡(jiǎn)單、可靠性高、節(jié)約成本、地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，水壓試驗(yàn)分段靈活，且不會(huì)制約管道安裝進(jìn)度，能夠有效地提高分段水壓試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性、安全性。

1.2 特點(diǎn)

1）專用打壓管堵板兩側(cè)分別設(shè)置人孔，為了保障人員安全，要求施工單位在堵板上提前埋設(shè)安全監(jiān)測(cè)點(diǎn)并從人孔引出，通過(guò)測(cè)量引出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況，判斷堵板是否發(fā)生位移、變形。

2）采用安裝的專用打壓管作為水壓試驗(yàn)段堵頭，取代1節(jié)PCCP標(biāo)準(zhǔn)管，利用已安裝的PCCP管道與土的摩擦力抵擋水壓推力。

3）不用制作安裝管道堵頭及混凝土靠背，避免為水壓試驗(yàn)預(yù)留后期二次合攏段，極大地降低施工成本，且不影響后續(xù)管道安裝。

4）對(duì)于淤泥等不良地質(zhì)段的已安裝管道水壓試驗(yàn)，該方法可以有效減小后靠背不穩(wěn)定對(duì)水壓試驗(yàn)的影響。

5）水壓試驗(yàn)完成后，可將該段內(nèi)的試驗(yàn)用水通過(guò)泄壓或者抽水的方式導(dǎo)入相鄰的水壓試驗(yàn)段，循環(huán)利用水資源，很好地解決水資源不足地區(qū)的管道用水問(wèn)題。

2 試驗(yàn)流程及管控要點(diǎn)

無(wú)靠背水壓試驗(yàn)流程：打壓管設(shè)計(jì)→打壓管堵板可靠性試驗(yàn)→水壓試驗(yàn)分段→止推計(jì)算→打壓管及兩側(cè)管道安裝及回填→水源選擇及設(shè)備儀表安裝→水壓試驗(yàn)→排水泄壓及支管封堵。

2.1 打壓管設(shè)計(jì)

分段水壓試驗(yàn)用打壓管由PCCP管廠負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，打壓管內(nèi)徑及壓力等級(jí)與試驗(yàn)管道一致，打壓管設(shè)有支管和堵板。每個(gè)打壓管上對(duì)稱設(shè)置2個(gè)支管，支管內(nèi)徑一般為70 cm，主要用于注水、升壓、泄水等，支管內(nèi)徑不宜太小，以便施工人員由此進(jìn)入管道內(nèi)部。堵板厚度根據(jù)水壓試驗(yàn)壓力進(jìn)行計(jì)算，堵板兩層設(shè)有加強(qiáng)肋，為避免試驗(yàn)過(guò)程中堵板變形，必須保證堵板厚度。

該工程要求管廠上報(bào)打壓管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至設(shè)計(jì)院審批，設(shè)計(jì)院批復(fù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合格后，管廠需報(bào)送打壓管生產(chǎn)圖紙至監(jiān)理單位審批，在打壓管制造過(guò)程中，嚴(yán)格按照監(jiān)理批復(fù)圖紙進(jìn)行生產(chǎn)，確保打壓管生產(chǎn)質(zhì)量。

2.2 打壓管堵板可靠性試驗(yàn)

為確保打壓管的可靠性，要求在廠內(nèi)提前進(jìn)行壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是將兩根已生產(chǎn)完成的打壓管焊接在一起，在兩塊堵板中間注水升壓，試驗(yàn)壓力與分段水壓試驗(yàn)壓力值相同，升至試驗(yàn)壓力后，若兩側(cè)堵板無(wú)形變、無(wú)漏水現(xiàn)象，則打壓管設(shè)計(jì)符合要求，否則必須重新設(shè)計(jì)、試驗(yàn)。

2.3 止推計(jì)算

2.3.1 最小止推管道長(zhǎng)度

幾何參數(shù)包括公稱內(nèi)徑Di、接口直徑Dj、管外徑Bc、鋼筒內(nèi)徑Dyi；力學(xué)指標(biāo)包括鋼筋混凝土容重γc、砂漿容重γm、鋼材比重γs、水的比重γf；工作條件包括管線工作壓力Pw、管線試驗(yàn)壓力Pt、止推范圍內(nèi)下游實(shí)際覆土平均高度H下、止推范圍內(nèi)上游實(shí)際覆土平均高度H上、土壤容重ω、地下水位埋深Hf、土壤浮容重ωf、管道—土壤摩擦系數(shù)f、抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)Ks。

1）PCCP管自重

2）管內(nèi)水重

水壓試驗(yàn)時(shí)兩側(cè)管道按空管考慮，因此，Ww=0 kN/m。

3）管上方土體重量

上游段管上方土體重量：

下游段管上方土體重量：

4）管子浮力

5）接口橫截面面積

6）水平推力

7）管道要求抗側(cè)滑力

8）最小止推管道長(zhǎng)度

上游段最小止推管道長(zhǎng)度計(jì)算：

下游段最小止推管道長(zhǎng)度計(jì)算：

即要求上游方向提供止推力的管道直線距離為L(zhǎng)ZS1、下游方向提供止推力的管道直線距離為L(zhǎng)ZS2。該工程在止推計(jì)算過(guò)程中，要求施工單位充分考慮地下水帶來(lái)的浮力影響，同時(shí)，為確保水壓試驗(yàn)安全，要求打壓管上下游已安裝且回填完成管道距離大于計(jì)算距離2倍以上。

2.3.2 管道接口允許最大壓力計(jì)算

允許最大壓力按CECS 246-2008《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[2]并參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASCE 27-17《預(yù)制混凝土管頂管設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，假定頂力存在偏心，管道截面壓應(yīng)力呈三角形分布，管道一側(cè)為0，另一側(cè)受力最大，計(jì)算公式：

式中：Fdc為允許頂力設(shè)計(jì)值，N；φ1為混凝土材料受壓強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.9；φ2為偏心受壓強(qiáng)度提高系數(shù)，取1.05；φ3為材料脆性系數(shù)，取0.85；φ5為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整系數(shù)，取0.79；γod為活載分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；Dw為PCCP承壓面外直徑（管芯外徑），mm；Dn為PCCP承壓面內(nèi)直徑（承口導(dǎo)坡直徑），mm；fc為混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，MPa。

水壓試驗(yàn)時(shí)僅考慮用PCCP外圈混凝土（不考慮保護(hù)層）來(lái)平衡頂推力。經(jīng)計(jì)算出的允許頂力Fdc需大于水壓試驗(yàn)時(shí)的水平推力T。

2.3.3 接口砂漿最小強(qiáng)度

水壓試驗(yàn)時(shí)，PCCP管道接口砂漿最小強(qiáng)度按下式計(jì)算：

設(shè)計(jì)及實(shí)際施工的接口水泥砂漿強(qiáng)度均應(yīng)大于計(jì)算出的最小強(qiáng)度。通過(guò)計(jì)算，該工程接口砂漿最小強(qiáng)度要求約為6 MPa，為確保水壓試驗(yàn)安全，工程統(tǒng)一要求接口砂漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，即20 MPa。

2.4 打壓管及兩側(cè)管道安裝、回填

2.4.1 打壓管安裝及回填

由于堵板限制，打壓管安裝無(wú)法采用內(nèi)拉法，施工單位安裝打壓管時(shí)采用挖掘機(jī)配合履帶吊進(jìn)行吊裝，借助挖掘機(jī)的推力將打壓管頂至設(shè)計(jì)位置，注意管材保護(hù)，挖掘機(jī)鏟斗與打壓管管口設(shè)置彈性墊層，避免損傷管口，工程安裝打壓管時(shí)要求全程監(jiān)理。

2.4.2 水壓試驗(yàn)段兩側(cè)管道安裝及回填

為保證水壓試驗(yàn)段兩側(cè)管道安裝及回填質(zhì)量，工程特提出如下要求：安裝時(shí)打壓管及兩側(cè)止推范圍內(nèi)的管道接口間隙按照下限值進(jìn)行控制；打壓管及兩側(cè)止推范圍內(nèi)的管道接口砂漿質(zhì)量要重點(diǎn)控制，確保砂漿強(qiáng)度、密實(shí)度合格，尤其是打壓管及附近管道的接口砂漿，處理不好會(huì)直接影響水壓試驗(yàn)成敗；打壓管及兩側(cè)止推范圍內(nèi)的管道回填質(zhì)量要重點(diǎn)控制，分層對(duì)稱回填，回填后按照規(guī)范要求頻次取樣檢測(cè)，確保壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

2.5 水源選擇及設(shè)備、儀表安裝

2.5.1 水源選擇

工程要求采用河流、水渠進(jìn)行注水時(shí)，在水泵四周設(shè)置一層過(guò)濾網(wǎng)，避免雜物抽入管道內(nèi)。升壓點(diǎn)的打壓管設(shè)置打壓泵、注水管路、排氣閥、止回閥、壓力表、觀測(cè)針、水表及排水管，另一端的打壓管設(shè)置壓力表及位移觀測(cè)針。

2.5.2 設(shè)備、儀表安裝

打壓儀器、設(shè)備布置示意圖如圖1所示。

圖1 打壓儀器設(shè)備布置示意圖

2.6 水壓試驗(yàn)

2.6.1 注水

在進(jìn)行試驗(yàn)段內(nèi)的管道注水時(shí)，要注意打開高點(diǎn)的排氣閥進(jìn)行排氣，并根據(jù)排氣情況判斷管道內(nèi)的水位情況。

2.6.2 升壓

管道注滿水后，對(duì)管道進(jìn)行72 h浸泡，浸泡結(jié)束后緩慢逐級(jí)升至試驗(yàn)壓力，每級(jí)升壓0.2 MPa，并觀察10 min，檢查接口、配件、管身等無(wú)破損及漏水現(xiàn)象。

2.6.3 壓力降試驗(yàn)

達(dá)到試驗(yàn)壓力后穩(wěn)壓15 min，壓力下降不超過(guò)0.03 MPa時(shí)，壓力降試驗(yàn)合格。

2.6.4 滲水量試驗(yàn)

采用滲水量作為最終合格判定依據(jù)時(shí)，根據(jù)注水法進(jìn)行滲水量檢測(cè)。注水法試驗(yàn)應(yīng)按下列程序進(jìn)行：水壓升至試驗(yàn)壓力后開始計(jì)時(shí)。每當(dāng)壓力下降，應(yīng)及時(shí)向管道內(nèi)補(bǔ)水，但降壓不得大于0.03 MPa，使管道試驗(yàn)壓力始終保持恒定，延續(xù)時(shí)間不得少于2 h，并計(jì)量恒壓時(shí)間內(nèi)補(bǔ)入試驗(yàn)管段內(nèi)的水量；根據(jù)規(guī)范，最大滲水量：

實(shí)測(cè)滲水量計(jì)算：

式中：q為實(shí)測(cè)滲水量，L/(min·km)；W為恒壓時(shí)間內(nèi)補(bǔ)入管道的水量，L；T為從開始計(jì)時(shí)至保持恒壓結(jié)束的時(shí)間，min；L為試驗(yàn)管段的長(zhǎng)度，m。

工程采用PCCP管道內(nèi)徑為2 800 mm與3 200 mm兩種，DN2800管道允許最大滲水量為7.41 L，DN3200管道允許最大滲水量為7.92 L。

2.7 排水泄壓及支管封堵

2.7.1 支管封堵

水壓試驗(yàn)經(jīng)過(guò)建設(shè)單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位、管材制造單位、施工單位等共同驗(yàn)收合格通過(guò)后，進(jìn)行緩慢降壓，不能引起顫動(dòng)，要緩慢開關(guān)閥門，防止產(chǎn)生水錘，任何情況下閥門不能全開，同時(shí)逐步打開放氣閥，保證管道排氣過(guò)程中，空氣及時(shí)補(bǔ)充進(jìn)管道。

試壓段排水，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一部分水注入相鄰管線試驗(yàn)段，一部分可通過(guò)排水閥井利用水泵排至附近河溝。排水時(shí)應(yīng)防止形成負(fù)壓，排水過(guò)程中應(yīng)注意控制閥門的打開度。

2.7.2 支管封堵

管道內(nèi)檢查完畢后，進(jìn)行打壓管支管封堵，封堵采用焊接堵板及澆筑混凝土的方式進(jìn)行，在完成封堵板角焊縫的焊接后要進(jìn)行探傷檢測(cè)。工程已要求設(shè)計(jì)單位明確打壓管支管處理方案，封堵施工時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果

2021年度，引綽濟(jì)遼輸水管線工程共有7個(gè)標(biāo)段完成首段水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，均為合格。

表1 水壓試驗(yàn)段統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

管道水壓試驗(yàn)是對(duì)壓力輸水管道工程中的管道、接頭、管件、閥件、鎮(zhèn)墩、連通等附屬建筑物的設(shè)計(jì)、施工、安裝階段的綜合驗(yàn)證。引綽濟(jì)遼工程建設(shè)單位高度重視水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)前組織參建單位進(jìn)行試驗(yàn)方案審查，試驗(yàn)過(guò)程中組織四方現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)證，共同記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)、檢查試驗(yàn)管線段是否有漏水現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)水壓試驗(yàn)要點(diǎn)的充分準(zhǔn)備、管控、總結(jié)，提高了試驗(yàn)成功率，為類似工程提供借鑒。