刘建成

（山西省水利工程质量与安全监督站，山西 太原 030002）

1 引言

玻璃纤维增强塑料夹砂管（以下简称FRPM管）是以玻璃纤维及其制品为增强材料，以不饱和聚酯树脂等为基体材料，以石英砂及碳酸钙等无机非金属颗粒材料为填料，采用定长缠绕工艺、离心浇铸工艺、连续缠绕工艺方法制成的管道。20世纪60年代，国外采用离心法研制成功了玻璃钢砂浆管，但受技术条件限制，管道存在强度低、性能离散性大、韧性差等不足，应用发展缓慢。直到80年代初缠绕夹砂法的出现，使得FRPM管道制造技术才有了重大进展，应用范围不断扩大。90年代，我国引进了纤维缠绕玻璃钢夹砂管道生产线，开创了国产FRPM管应用先例。FRPM管具有耐腐蚀、水力学特性好、重量轻、施工性能好、运行维护费用低等技术经济优势，越来越多地应用于水利工程建设领域。由于FRPM管道应用时间较短，目前国内尚未形成专门的基础设计规范。下文结合山西省坪上应急引水工程对FRPM管道基础设计进行了初步研究。

2 工程概况

坪上应急引水工程位于忻州市五台县、定襄县、忻府区和原平市境内，是以坪上泉域的泉水为水源，向忻府区、定襄县和原平市提供城镇生活和工业用水为主要任务的引水工程。工程由水源工程和供水工程两大部分组成，线路总长123 km，其中直径1 800 mm的FRPM管道19.1 km，直径1 400 mm的FRPM管道63.8 km。

3 水文地质情况

工程供水管线途径滹沱河右岸阶地、滩地，忻定盆地和原平盆地冲洪积平原区，地层主要为上更新统坡洪积物、第四系全新统早期洪冲积物、上更新统冲积物、局部地段为非自重湿陷性黄土，地下水位埋深较浅。根据工程供水管道沿线水文地质勘察资料，通过分析管道地基的力学特性，结合地下水位埋深情况，管道地基土可分为一般性土、湿陷性土、高地下水位中高压缩性土、高地下水位级配不良砂和岩石等5种典型类型。

4 管道基础设计

4.1 地基荷载计算

供水管线所处地区为北方寒冷地区，忻府区、定襄县和原平市的最大冻土深分别为1.09 m，1.17 m和1.21 m。为保证供水管线的安全，满足其正常工作要求，设计管顶覆土厚度为1.5 m，管顶回填土平均重度取20 kN/m3。作用在管道地基的竖向荷载主要有：竖向土压力、管体自重、管中水重、地面荷载（含建筑物及堆积物和车辆荷载等）。

土压力：根据《给水排水工程管道结构设计规范》，开槽敷设的埋地柔性管道管顶的竖向土压力标准值应按下式计算:

式中：Wck——每延长米管道顶的竖向土压力标准值，kN/m；

γs——回填土的重力密度，kN/m3；

Hs——管顶至设计地面的覆土高度，m；

D1——管道外缘宽度，m。

管体自重:按管道结构尺寸与材料单位体积的自重计算确定：直径1 800 mm的管壁厚24.9 mm，直径1 400 mm的管壁厚21.4 mm，自重20 kN/m3。

管中水重：按管中满水计算，水的重力密度10 kN/m3。

地面荷载：地面堆积荷载标准值取10 kN/m2，管线与公路交叉段专门设计，本文不考虑车辆荷载。

管道与地基接触面：管道基础按接触面形式分为平面基础和弧形基础。平面基础是将管道直接敷设在原状平面土基上，管道受力差，基础受力集中，适用于管径较小的城市输配水管网。弧形基础是在原土开挖或通过掖角回填形成弧形管槽，弧形中心角一般取值在 90°～180°之间，对应的基础支撑角为 60°～150°，管道与地基接触面宽度近似取管道外径的圆心角弦长。

经计算，当管顶覆土厚度1.5 m、地下水位埋深3.3 m，弧形中心角为120°时，直径1 800 mm和直径1 400 mm的管基底压力分别为83.5 kPa，77.5 kPa。

根据工程供水管道沿线水文地质勘察资料，高地下水位中高压缩性土天然含水率18.0%～27.5%、压缩系数 0.17～0.76 MPa-1、渗透系数 0.01×10-5～12.7×10-5cm/s、地基承载力建议值40～60 kPa，地基土具有中高压缩性、渗透系数小，地基承载能力低等特点。级配不良砂地基天然含水率18.6%～28.5%，颗粒组成以砂粒和粉粒为主，黏粒含量极少，不均匀系数2.3～3.0，曲率系数1.0～1.4，单粒级含量较大，级配不良，容易液化，地基承载能力低。湿陷性土压缩系数0.17～0.40 MPa-1、湿陷系数 0.019～0.068，具有低中压缩性和中等湿陷性。在荷载作用下，高地下水位中高压缩性土、级配不良砂和浸水后的湿陷性土地基沉降变形较大，容易引起管道地基不均匀变形，影响管道正常运行。考虑工程运行安全和维修管护等因素，必须对地基土进行处理。

4.2 地基处理方法及选用

管道地基常用处理方法有换土、压实、挤密和排水固结等。换土法是将基础底面下一定深度的弱承载土挖除，换填碎石、砂、黏土、灰土、块石等垫层材料，使换填垫层作为地基的持力层，通过垫层的应力扩散作用，减少对垫层下面地基单位面积的荷载，提高地基承载力。换土法适用于浅层淤泥质土、湿陷性土等浅基础处理。压实是采用机械碾压的方法，使地基土孔隙减小、密度提高，适用于碎石土、低饱和土等地基。挤密法是通过振动或挤密使地基土密实的同时回填砂、砾石形成复合地基，适用于砂土、粉土及含水量较小的粉土地基。排水固结是采取加压、抽水等措施，加速土层固结，提高地基土强度，适用于厚度较大的饱水软地基。

坪上供水管道地基埋置浅、结构荷载不大，且不良地基土天然含水率高、黏性土、粉土地基渗透系数小，考虑工程安全、经济、施工进度等因素，适宜采用换土法对地基进行处理。采用换土法换填透水性大的材料作垫层，有助于土中水分排除，加速含水地基土固结，同时施工工艺简单，质量容易保证，施工速度快，能满足工程进度需要。

4.3 管道基础设计

4.3.1 垫层厚度

换土法垫层厚度通常控制在0.5～3.0 m之间，取碎石层的厚度0.5 m，砂垫层0.15 m，根据《建筑地基基础设计规范》，按下式对管道碎石垫层底面（软弱下卧层顶面）处地基承载力进行验算。

式中：pz——软弱下卧层顶面处的附加压力值，kPa；

pcz——软弱下卧层顶面处土的自重压力值，kPa；

faz——软弱下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。

根据换填碎石垫层和下层不良地质土的压缩模量比，查《建筑地基基础设计规范》，经计算：直径1 800 mm、直径1 400 mm软弱下卧层顶面压力分别为 80.2 kPa，72.3 kPa，小于地基承载力修正值102.8 kPa，95.5 kPa，满足地基承载力要求。

4.3.2 垫层宽度

垫层宽度应满足基底应力扩散要求和施工相关规范。根据应力扩散角法计算，直径1 800 mm的管道垫层底宽应不小于2.06 m。同时结合管道施工工作面宽度要求和基坑开挖经验放坡，对垫层底适当加宽，最终确定垫层底面宽度为2.6 m。

4.3.3 垫层材料

垫层材料包括砂石、粉质黏土、灰土、粉煤灰等。由于该项目管线沿线地下水位较高，采用粉煤灰垫层时易污染地下水，垫层材料主要采用砂石和灰土。

4.4 地基处理试验

主干线桩号20+350—20+425位于忻定盆地冲洪积平原区，土质为淡黄色低液限黏土，稍湿、湿，黏粒含量较高，可塑，土质较硬，供水管线持力层为低液限黏土，地下水位埋深1.8～3.5 m，为典型的高地下水位低液限黏土地基。经试验，经换填碎石垫层处理后的基础能达到设计要求。

4.5 处理方法

管道沿线地段地质条件复杂多变，根据FRPM管道基础设计成果和地基处理试验，考虑工程安全、经济等因素，提出了下几种典型地基的处理方法：一是一般性土基地段，开挖后应将原状土整平、夯实，压实系数不小于0.85；二是湿陷性土层地段，管沟开挖后铺填50 cm厚3∶7灰土垫层，压实系数不小于0.90；三是高地下水位中高压缩性土、高地下水位级配不良砂土层地段，换填50 cm厚碎石垫层，相对密实度不小于0.67；四是基岩地段，管沟垂直开挖完成后，采用C10混凝土找平。基础处理完毕后铺设管底铺设150 mm厚粗砂垫层，垫层要求一次铺设完毕，均匀铺摊整平，相对密实度不小于0.65。

5 应用效果评价

坪上应急引水工程管线管道安装完成后，在工程验收前对FRPM管道管径向进行爬管检测，经检测，FRPM管道永久变形值均在管道内径的5%（90 mm）以内，其中，63%的测点变形量均在55 mm以内，满足规范的要求。2009年12月主干线及忻府支线至忻府调节池试通水成功，2010年6月原平供水支线至原平调节池试通水成功，2011年1月通水验收，目前供水管道运行正常。

6 结语

文章结合山西省坪上应急引水工程管道沿线水文地质勘察资料，分析了管道地基管道水文地质特征，对RPMP管道基础设计、管道基础荷载计算、地基承载力复核、地基处理方法进行了简单分析，提出了不同类型管道地基的处理方法，并成功应用于工程建设。经过通水运行，表明该地基处理方法能够有效消除不良地基的不均匀变形，改善地基承载力，且施工简便、工程质量易于控制，可为其他类似工程的建设提供参考。