三梁岔管体型设计在北线引水工程中的应用

徐大彬，蓝妹元，王 煌，冯 章，李子晗

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司水环境与城建工程分公司 河湖治理一室，成都610000；2.深圳市水务规划设计院股份有限公司南宁分公司 水环境工程所，南宁530000；3.深圳市水务规划设计院股份有限公司 水务工程院，广东 深圳518000）

1 工程概况

龙茜供水工程和北线引水工程是深圳西北部的供水生命线［1-2］。 龙茜供水工程东起龙口泵站，西至茜坑水库， 工程设计输水规模33万m3/d， 线路全长19.46km；北线引水工程为龙茜供水工程的二期工程，于2006年5月开工建设，2010年5月正式建成通水，该工程从上埔泵站取东深原水经茜坑、 鹅颈水库输至石岩水库，全长约29.92km，设计输水规模120万m3/d。北线引水工程建成后，与东深供水工程、东部供水水源工程形成双水源保障的供水格局， 在提高深圳市供水保障能力、 解决片区用水紧张问题中发挥了重要作用［3］。 工程总体分布如图1。

图1 龙茜供水工程、北线引水工程整体分布图

自2012年以来， 北线和龙茜玻璃钢夹砂管已发生5次漏水和4次爆管，严重威胁沿线铁路、学校、居民区等公共安全。为保障供水安全，须在保证原设计输水规模的前提下，对沿线隐患管段进行安全整改。整改设计采用并管改造方案，即在部分位置将龙茜、北线两线并管成DN3400钢管，合并管在下游与现状管道通过三梁岔管连接如图2。

图2 并管改造方案示意图

三梁岔管是用三根首尾相连接的曲梁作为加固构件［4～6］（如图3）。 其中，U梁承受较大的不平衡水压力，是梁系中的主要构件；腰梁1承受的不平衡力较小；腰梁2用来加固主管管壁。同时，两根腰梁有协助U梁承受外力的功用。 三梁岔管的体型设计精确与否，直接关系到工程的运行安全。 目前，相关规范大多采用解析法计算岔管的各点坐标， 从而绘制出管身曲线［7］，该计算流程繁杂，精度有限。 为保证工程质量，提高设计精度，本文采用基于CAD平台二次开发的ZDM辅助软件进行岔管的体型设计， 从而较精确得到岔管的各特征点坐标；同时采用“水利水电计算程序集”中的“三梁式卜型岔管”模块进行岔管相贯线的方程计算，从而得到加固梁的平面投影曲线。该方法为岔管预制和现场施工提供了指导。

图3 三梁岔管示意图

2 三梁岔管体型设计

2.1 管径、壁厚设计

整改工程沿线管道均采用钢管， 管径分别为DN3400、DN2800和DN2200，管材为Q345C钢，管顶平均覆土深度为2～6m，局部最大埋深达12m。 根据管径及施工方法， 对各种管径及不同覆土深度情况下的管道进行承载能力极限状态、 正常使用极限状态的强度、稳定和刚度计算，可得到各管壁厚。 管道设计参数如表1。

表1 不同管径的管道设计参数 单位：mm

2.2 岔管体型参数设计

较好的岔管体型应具有较小的水头损失、 较好的应力状态并易于制造。 为保证水流通过岔管各断面的平均流速相等，或使水流处于缓慢的加速状态，分岔角的选择尤为重要。若分岔角过小，不仅会增加分岔段的长度，也会使得加固梁尺寸过大，从而不易制造。 一般而言，分岔角一般在30°～75°范围内，较常采用的范围是45°～60°［8］。本工程结合实际需要，三梁岔管的分岔角选为45°。

对于三梁岔管，分岔后锥管腰线转折角可取0°～15°， 宜用5°～12°［8］， 若转折角过大则易引起应力集中。 结合规范取值，本工程主管锥角度选为3°，支管锥角度选为8°。

2.3 体型设计步骤

（1）在CAD制图软件中，使用ZDM辅助设计软件依次选择 “土建”-“展开图”-“生成Y型卜型岔管体型及相贯线”，根据软件提示输入岔管相关参数。 之后，软件自动计算并生成岔管平面展开图，如图4。

图4 三梁岔管平面展开图

（2）在生成岔管平面图的基础上，为便于管节预制定位， 可进一步利用ZDM软件来生成主管和支管展开图，从而得到接口的平面形状及其控制点参数。依次选择 “土建”-“展开图”-“按相贯线展开正圆台”，根据软件提示输入参数后可得到主管和支管的平面展开图，如图5和图6。之后，利用坐标标注命令，沿展开图获取主、支管坐标表，以利于下料。

图5 主管展开图

图6 支管展开图

3 三梁岔管相贯线计算

3.1 相贯线平面曲线计算原理

岔管的结合部位易引起应力集中，利用U梁和腰梁的局部加固和补强作用， 可有效改善管道连接处的受力状态。 一般而言，对于大型管道，岔管均采用工厂预制。 在制作过程中，加固梁常沿相贯线布置，一般加于管壳之外，内外缘均为空间曲线，其平面投影为椭圆弧线。因此，只有明确了相贯线的空间形状后，方能进行加固梁制作。岔管相贯线平面曲线理论计算方程如下［9］（计算图如图7，平面细部图如图8）。

图7 岔管相贯线计算原理图

图8 三梁岔平面细部图

3.1.1 FM线（椭圆）方程

3.1.2 NE线（椭圆）方程

3.2 工程计算结果

根据以上计算原理，利用软件“水利水电计算程序集”中的“三梁式卜型岔管结构计算”模块，在软件中输入管道相关参数后， 可自动计算出岔管相贯线的相关参数。值得注意的是，在软件中应对加固梁的横截面形式进行选择。 加固梁的横截面形式比较常用的有矩形和T形。 采用T形截面的目的是为了采用较薄的腹板获得较大惯性矩， 而采用矩形截面的加固梁应避免采用瘦高截面。 本工程设计为T形断面。岔管相贯线计算结果如表2。

表2 相贯线参数计算 单位：mm

结合计算数据，可绘制出U梁和腰梁的平面投影线，如图9～图11。

图9 岔管U梁相贯线图

图10 岔管腰梁1相贯线图

图11 岔管腰梁2相贯线图

4 实际工程应用

北线引水工程安全隐患整改的计划总工期为16个月，即2018年12月初至2020年3月底。 总工期按阶段分三阶段，即工程准备期、工程施工期、工程完建期。 该工程为带状工程，工程建筑物布置较为分散，施工线路长、涉周边建筑物较多；同时该工程主要以土方工程、管道和混凝土工程为主，工程量较大，主体工程施工强度高。在施工过程中，岔管承担着连通上游新建和下游已建管道的重要任务， 且其点位较多，整体施工难度较大。通过对岔管进行科学的体型设计，保证了岔管施工的顺利进行，其施工现场如图12。 工程实践表明：结合ZDM和“水利水电计算程序集”对三梁岔管体型进行设计，其精度符合施工的误差要求，可对实际施工提供技术指导。

图12 三梁岔管现场施工图

5 结语

（1）根据相关规范确定岔管参数后，可利用ZDM辅助设计软件进行管道平面展开图的绘制， 并得到主、支管控制点坐标，以利于管道预制。

（2）主、支管相交处是岔管的受力薄弱处，须利用U梁和腰梁进行加固补强。根据岔管的相贯线平面曲线方程，结合“水利水电计算程序集” 中的相关程序可较精确得到U梁、腰梁的平面投影曲线，从而为加固梁的焊接提供技术指导。

（3）工程实践表明，以上体型设计方法具有准确可靠、简单快捷的优点，相关软件和程序集的使用可大大简化众多复杂公式推算才能得到坐标、参数值，提高了工作效率和设计精度， 也很好地指导了实际施工。该方法可为今后类似施工提供一定借鉴和参考。