任庄水库调水工程管道穿越公路（陵沁一级路）顶管受力分析

袁勇福

（晋城市水利勘测设计院 山西晋城048026）

1 晋城市任庄水库调水工程概况

任庄水库位于晋城市泽州县高都镇丹河干流上，是丹河流域一座以防洪为主的中型水库，控制流域面积1298.6km2，总库容8050万m3，保护下游山西、河南两省居民及耕地的安全。水库运行四十余年以来，对下游防洪起到了不可估量的作用，但其他效益却非常有限。国家先后投资上千万元对它进行除险加固，达到50年设计、1000年校核部颁标准。如何使任庄水库宝贵的水资源充分发挥作用是各级主管部门一直考虑的问题。

晋城市是国家级发展的新型园林城市，目前由于采煤影响造成市区河道水源逐渐干枯、水环境日趋恶化，同时，部分农田和植被干旱缺水。为改善地下水资源状况及城市河道环境、使市区的河流水质得到改善，美化生活景观，改善生活环境，使河流真正成为“有源的活水”，实现人与自然的和谐。同时灌溉部分农田和生态林，缓解当地供需水矛盾，提高任庄水库利用率，晋城市决定兴建任庄水库调水工程。

晋城市任庄水库调水工程是晋城市2010年重点工程建设项目。本工程自晋城市泽州县任庄水库提水后，采用管道输水。工程主要建设内容为输水工程干管18.27km，支管5.4km，提水泵站3座，调蓄水池5处。工程年供水量500万m3。

调水管线多处穿越交通道路，其中采用顶管方案的有三处：一处为主管线穿越晋长二级路，顶管采用直径800 mm钢管，长48m；一处为支管线穿越白马寺旅游公路，顶管采用直径1000 mm钢管，长36m；另一处为支管线穿越陵沁一级公路，顶管采用直径1200 mm钢管，长84m。

图1 顶管平面布置图

2 顶管施工范围

任庄水库调水工程支管线穿越陵川至沁水一级公路，顶管位置在陵沁路与兰花路交接处，公路两侧作业宽度分别为19m和23m，穿越公路段长42m，全长84m。管道平均埋深6m，采用直径1200 mm钢管。顶管工程位置见图1。

3 顶管受力分析

3.1 管道强度计算

顶管管材为：QB235，内径1200 mm，壁厚14mm。计算荷载：公路-Ⅰ级。顶管前管内、外壁进行防腐处理，涂刷磷化底漆，二道环氧沥青面漆。在此根据《给水排水工程顶管技术规程》CECS246:2008中相关要求计算。

《给水排水工程顶管技术规程》8.2.1规定：钢管管壁截面的最大组合折算应力应满足下式要求：

式中：σθ——钢管管壁横截面最大环向应力，N/mm2；

σΧ——钢管管壁的纵向应力，N/mm2；

σ——钢管管壁的最大组合折算应力，N/mm2；

η——应力折减系数，可取0.9；

γ0——管道的重要性系数，给水工程单线输水管取1.1；

f——管材的强度设计值，215N/mm2。

8.2.2 规定：钢管管壁横截面的最大环向应力σθ应按下式确定：

式中：Y1=γ1·k1·G1W1=γ2·k2·Fs·D1

Y2= γ3·k3·G2W2= γQφck2Q1D1

b0—管壁计算宽度，mm,取1000 mm；

φ—弯矩折减系数，有内水压时取0.7；

φc—可变作用组合系数，可取0.9；

t0—管壁计算厚度，mm，使用期间计算时设计厚度应扣除2mm，施工期间及试水期间可不扣除，取12mm；

r0—管的计算半径，mm，取607mm；

M—在荷载组合作用下钢管管壁截面上的最大环向弯矩设计值，N·mm；

N—在荷载组合作用下钢管管壁截面上的最大环向轴力设计值，N；

γ1—管道结构自重作用分项系数，可取1.2；

γ2—竖向水压力作用分项系数，可取1.27；

γ3—管内水重作用分项系数，可取1.2。

γQ—可变作用分项系数，可取1.4；

G1—管道结构自重标准值；

Fs—竖向水土压力标准值；

G2—管内水重标准值；

FW—管内设计内水压力标准值；

Ed— 钢管管侧原状土的变形量，N/mm2，取2.1×107；

Ep— 钢管管材弹性模量，N/mm2，取2.06×105；

k1、k2、k3—分别为钢管管道结构自重、竖向土压力和管内水重作用下管壁截面的最大弯矩系数，可取土的支撑角为120°，按本规程附录A确定，分别取0.083、0.138、0.083；

D1— 管外壁直径，mm，取1228mm；

Q1—地面堆载或车载传递至管道顶压力的最大标准值，取10.38kPa。

计算结果为：N=0.9×1.4×0.9×607×1000=688338；

Y1=1.2×0.083×4.165=0.414

W1=1.27×0.138×138.96×1228=29906.87

Y2=1.2×0.083×10=0.996

W2=1.4×0.9×0.138×10.38×1228=2216.39

8.2.3 规定：钢管管壁的纵向应力可按下式核算：

式中：νP—钢管管材泊松比，可取0.3；

α—钢管管材线膨胀系数，查《钢结构设计规范》GB50017表3.4.3，α=12×10-6；

△T—钢管的计算温差，取20℃；

D0—管壁中心直径，mm，取1214mm；

R1—钢管顶进施工变形形成的曲率半径，mm；

f1—管道顶进允许偏差，mm，取130；

L1—出现偏差的最小间距，mm，视管道直径和土质决定，一般可取50 m；

所以有：0.9σθ=0.9×57.42=51.68≤f=215

0.9σx=0.9×131.53=118.38≤f=215

1.1σ =1.1×102.79=113.07≤f=215

综上所述，管道强度满足安全要求。

4 结论

晋城市任庄水库调水工程作为民生水利工程，为晋城市这座新型园林城市和国际花园城市起到重要作用；而陵沁一级公路作为晋城市的一条主要交通要道，它的安全性是不可忽视的。因此管道在穿越交通道路时，能否为工程以后带来安全隐患显得尤为重要，管道经受力分析计算，强度完全满足设计要求。

晋城市通过任庄水库调水工程，把城外地表水补充到市区河道，换来较好的城市环境，经济和社会效益显著，是一项利民工程、德政工程，将受到全市人民的欢迎。晋城这座古老而又年轻的城市也必将焕发出更加璀璨夺目的光彩。