市政给排水管道工程中的结构设计

2021-04-11燕家琪

工程技术研究 2021年10期

燕家琪

中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381

1 市政给排水管道工程概况

现有某市政给排水管道工程，自该工程所在地水库取水，然后通过给排水管道将水输送至水厂，随后由水厂负责对当地电厂供水。此次给排水工程采用PCCP供水管道（预应力钢筒混凝土管），管道直径为1～1.5m，供水管道整体长度为12.63km。该工程所在地区气候四季分明，但夏季雨水相对较少、温度较高，冬季干冷、春秋两季多风沙，为了有效解决当地缺水问题，进行了此次给水管道工程建设。

2 给排水管道工程现场勘探

在正式开展市政给排水管道工程建设前，需要到现场进行勘探。在具体勘探时，要求在管道中线上布置勘探点，结合实际地形情况，勘探点之间的距离应控制在30～100m，如果管线附近地形变化较为复杂，应适当加大勘探点密度。除此之外，通过地质勘探，在管道埋设深度范围内，应查明地层的成因、岩性厚度及特征，明确岩层产状与分化破碎程度，并把握对管道带来影响的地质活动断裂带的分布特征与性质，同时需了解管道沿线工程地质条件和地下水对管道带来的腐蚀影响，以提供岩土工程参数与管道结构设计建议[1]。

在此次工程中，经过勘探单位勘探，主要得出以下信息：给排水管道供水管线地处倾斜平原地区，整体地形起伏变化比较明显，且结构较为松散，出露地形为第四系全新洪冲积，下更新统为低液限粉土、低液限黏土。其中，上部为低液限粉土，整体厚度为7～16m，下部为低液限黏土，厚度在10m以上。局部区域还分布有人工堆积物，堆积物组成除了包含建筑垃圾及生活垃圾，还包含一些杂填土。在该管道沿线区域，地下水埋深为16m，不会对管道工程建设带来影响。

总之，此次排水管道工程现场地质情况相对较为复杂，在后续管道工程结构设计方面，应结合实际工程地质情况，保障管道结构设计的科学合理性，才能为后续排水管道工程的作用价值发挥奠定坚实的基础。

3 市政给排水管道工程中的结构设计

3.1 确定管道结构形式

通常，在确定管道结构形式时，一般由给排水专业相关人员负责。自来水厂一般采用承压管，除了可以选择PCCP管，还可以选择玻璃钢、PE管等。污水厂一般采用非承压管道，但是当管道承压比较小时，为了体现经济性，可以采用如混凝土结构、砌体盖板涵等管道结构。在一些特殊路段，如管线周边有公路、铁路等，也可以选择钢管形式。此次给排水工程主要采用PCCP管，管线接口则选择承插口形式。

3.2 管道基础选型

在进行复核计算管道的刚度和强度时，需要充分考虑管道自身的规格、实际覆土深度以及地面承受的荷载。同时，还需要把握地下水位变化、试验压力等关键信息，才能确保最终管道结构配筋率计算的准确性。其中部分管道需要专门进行加固，以满足管道强度要求。针对这些管道需要以实际计算结果为依据，选择合理的加固措施，如通过管廊包管或者采用混凝土包管，从而不断提升管道强度，满足管道实际运行需求。在进行管道计算时，如果发现增加管道壁厚不够经济合理，则可以采用加肋的方法进行加固处理。具体的加固方式需要结合实际情况和经济指标来确定。

在此次工程中，采用专业软件UDP1.6进行管道结构计算。相关条件如下：钢丝强度为1580MPa，钢管厚度为1.5mm，缠丝应力为1580MPa×85%=1343MPa（PCCP管缠丝应力规定为钢丝强度的85%），采用的活荷载为汽-20级重载车。从计算结果来看，针对强度等级为C60的1200mm管道，工作压力为0.6MPa，保护层净厚度为22mm，管芯壁厚为70mm，钢丝直径为5mm，1层缠丝层数，基础包角为90°，配筋率为609mm2/m，螺距为32.2mm。针对强度等级为C55的1200mm管道，工作压力为0.6MPa，保护层净厚度为20mm，管芯壁厚为70mm，钢丝直径为5mm，1层缠丝层数，基础包角为120°，配筋率为609mm2/m，螺距为32.2mm。同时，为了降低管道覆土规格种类，进一步提升后续管道安装的速度，避免在管道覆土后出现一些质量隐患，针对路面之下的清水PCCP管道，基础包角选择120°。

3.3 管道敷设方式

为了科学合理地选择排水管道敷设方式，需要结合实际管道的埋深以及地下障碍物分布等情况进行综合决定。一般情况下，管道敷设包含三种方式，即顶管敷设方式、沟埋敷设方式、架空敷设方式。其中，沟埋敷设方式应用最为广泛。如果实际条件不允许进行沟埋敷设，可以选择另外两种敷设方式。通常而言，选择的管道敷设方式不同，那么实际采用的管道结构也会有一定的差异性。此次工程主要采用沟埋敷设方式，部分局部路段需要穿越铁路障碍，因此采用了大直径混凝土顶管敷设方式，顶管内径为2m，原管道直接从顶管之中穿过，主要由铁路部门负责设计。

3.4 管道抗震设计

在明确具体的管线走向后，为了保证后续管线顺利铺设安装，同时提升管道抗震性能，还需要规避一些不利于抗震的场地，如管道行进线路要避开地震断裂带，不在薄弱地基位置设置管线等。但如果避无可避，则需要从管道自身入手，在考虑管道用途的基础上，选择一些抗震性能优良的管道。如果是给水管道，要求管道应具备良好的抗拉强度，同时延展性优良，抗折强度较强；如果是排水管道，可以选择一些钢筋混凝土管道，并采取合理的构造措施，从根本上提升管道的抗震性能[2]。

在此次给排水工程中，针对管道的结构设计，应充分考虑区域地震发生规律情况。在该区域中，地震动峰值加速度为0.15g，地震动反应谱特征周期为0.4s，地震抗震设防烈强度为7度。基于上述信息，在进行管道抗震结构设计时，需要注重进一步强化管道的抗震性能。从以往管道抗震经验来看，地震多会对管道接口位置造成较大的破坏，因此需要注重加强PCCP管道的接口抗震设计，提升接口的抗剪与变形能力，使其具备优良的抗震性能。

3.5 管道构造措施

在该工程中，针对给排水管道的构造，要先处理好地基，在这一过程中，需结合纵横断面图、平面图做好设计图的处理。同时，针对需要处理的地段进行矢量化扫描，并以此为依据合理选择参考点，最终立足地质纵断面之上，做好管道基地轮廓线的设置。在此基础上，还应做好地质单元的合理划分，并做好基底高层及桩号的标注，尤其是要注意标明地下水位及地基以下的土层构造。然后以桩号划分为依据，进一步明确需要进行处理的部分，并针对该区域实际的地质情况，选择合理的处理方法。

该工程中桩号为0+001～1+348.6的地段持力层为上更新洪冲积上部低液限粉土，该地基土承载力建议值为80～90kPa，可以进行临时开挖边坡，边坡比建议控制在1∶0.8～1∶1。该工程面临的主要问题是湿陷性土问题，该湿陷土整体厚度为6m，湿陷等级为一级。建议在管道的底部，设置灰土垫层，垫层厚为0.6～1m，从而有效改善地基土湿陷性问题。

在后续进行管道施工时，受下雨或者地下水位升高等因素影响，可能会出现浮管问题，因此在实际处理构造时，应加强浮管的预防工作，采取有效的抗浮措施，降低浮管发生概率。在进行抗浮计算时，首先需要计算管道质量，以管壁厚100mm的PCCP管为例，该管道自重为840kg。然后计算回填土重量，该工程回填土压实系数为0.87，通过地质勘探得出的土样最小干密度为0.975kg/m3，那么回填土的压实密度为上述二者的乘积，计算结果为848kg/m3，即可求出覆土质量。最后采用公式计算出最大浮力=ρ液·g·v[3]，其中，ρ液为浸入溶液密度，kg/m3；v为管道体积；g为重力加速度，取9.8N/kg。将最大浮力与管道自重+管道覆土进行对比，即可得出抗浮数值。在采用混凝土进行管道包封时，应注意做好混凝土对管道浮力的计算，并采取有效措施，加强对管道的固定。