南水北調中線北京段pccp管道工程設計

南水北調中后期惠南莊-大寧段的pcp管道管道是北京段最長的大型引水管道，全長56.3公里（包括西甘池洞和崇青洞）。PCCP管道工程由2排直徑4.0m的PCCP壓力管道、5處分水口建筑物、3處連通建筑物、102處排氣閥井建筑物、19處排空閥井建筑物、1處末端控制閥井建筑物、2處穿隧洞建筑物、4處穿鐵路建筑物、17處穿主要等級公路建筑物、27處河道防護工程、全線陰極保護、永久巡線路及穿巡線路建筑物等組成。本文主要對PCCP管道安全監測設計進行研究。1安全監測設計的原則南水北調中線京石段惠南莊—大寧段PCCP管道工程是我國目前采用PCCP管徑最大、單節管道最重的水利工程。超大口徑PCCP管道的使用在我國尚屬起步階段,有關安全監測設計可參照的工程和規程規范較少,安全監測設計主要依據《混凝土壩安全監測技術規范》(DL/T5178—2003)。安全監測總的指導思想是:科學、實用、可靠、便于日常管理和維護。根據PCCP管道工程的具體情況,針對建筑物的不同特點,安全監測設計中主要遵循以下原則:(1)安全監測目的明確。由于南水北調管道工程采用長距離、超大口徑PCCP輸水,而且沿線水文、地質條件復雜,交叉建筑物較多,生產、運輸、安裝工藝復雜,管道工作壓力變化較大。針對以上情況,監測目的主要是為PCCP管道制造、施工安裝、通水運行安全提供充分的壓力、滲流、變形、應力、應變數據,同時,為同類輸水工程的監測設計提供借鑒,為超大口徑PCCP管道結構安全、安裝工藝及質量控制標準進行系統研究提供寶貴數據。(2)安全監測項目全面,重點突出。為了全面反映PCCP管道的工作狀態,設計中主要對PCCP管道的水力特性、標準PCCP管道結構安全、鎮墩穩定、包封結構與管道聯合受力、隧洞襯砌結構與管道受力狀況、暗挖洞施工及運行期結構安全、陰極保護測試等作為監測重點;另外,對于管道對地下水阻隔影響、管道位移及不均勻沉降進行監測。安全監測項目既突出重點,又兼顧全面,相關項目統籌安排,相互配合。(3)監測設備實用、可靠。(4)監測方案可行,確保工程安全。(5)經濟合理。一般同種監測斷面要選擇2個或2個以上斷面,這樣得到的數據互相之間有校核作用,以防有儀器安裝失敗,得到無效的數據。(6)觀測方便、直觀,有良好的交通條件。2主要監控任務和項目2.1pccp結構安全監測首先,進行PCCP和墊層的聯合受力(即土壤—管道相互作用)監測分析,驗證馬斯頓理論及奧蘭多系數,提出高覆土問題的解決方案和溝槽的最佳填筑方式。然后,通過監測埋設管道在內壓、外荷載、管重和管內水重等荷載情況下所產生的極限軸力和極限彎矩,利用極限狀態設計法來驗證是否超出三個極限狀態設計準則。第三,通過對長期放置的PCCP管、裂縫PCCP管及斷絲管道進行現場試驗,為PCCP結構安全評價提供合理的數值依據。并通過這次試驗進行如下分析:(1)分析驗證由預應力松弛后能否繼續滿足使用要求;(2)評估裂縫對PCCP結構安全的影響;(3)研究高強斷絲對PCCP結構安全的影響。監測項目包括:(1)土壓力分布;(2)管道預應力鋼絲應力。2.2試驗監測及防振效果分析首先進行深覆土情況下混凝土包封受力、PCCP管道與混凝土包封的聯合受力狀況監測分析。然后通過分析在充水打壓試驗、自流及加壓輸水工況下的鎮墩監測數據,分析管道鎮墩的止推及防振效果。監測項目包括:(1)土壓力分布;(2)包封混凝土、鎮墩混凝土應變;(3)包封鋼筋、鎮墩鋼筋應力;(4)結構與PCCP間縫隙,PCCP與PCCP間縫隙;(5)鎮墩沉降、位移監測。2.3支護應力及抗拔力監測項目進行巖石隧洞、暗挖洞結構、圍巖及PCCP管道的工作狀態監測分析。監測項目包括:(1)外水壓力;(2)山巖壓力,圍巖與支護之間壓力,PCCP管外部壓力;(3)支護、襯砌內應力;(4)鋼筋應力;(5)錨桿內力及抗拔力;(6)圍巖位移。3安全配置針對上述監測任務及項目,主要監測布置如下。3.1管道結構安全監控3.1.1研究方法管身的結構計算嚴格按照《預應力鋼筒混凝土壓力管設計標準》(ANSI/AWWAC304-99)設計,設計方法為極限狀態設計準則。豎向土荷載的計算依據是Marston理論:埋管的豎向土荷載計算公式根據不同開槽方式(溝埋管和上埋管)有兩種。本工程管道為雙排管道,設計溝槽底寬13.7m,管頂處溝槽寬度為16.7～22.3m,經計算,過渡溝槽寬度為5.5～9.2m,均小于管頂設計溝槽寬度,故豎向土荷載按照上埋管進行計算。受PCCP管道承受覆土深度限制,北京段PCCP管道沿線有將近8.4km沒有回填到原狀地面,約2.7km做了混凝土包封。本工程在部分段采用減壓溝槽埋設回填方式以優化管道結構和優化受力情況。根據工程施工設備、地基情況、施工方法等條件不同,采用了溝埋式及填埋式兩種方式;同時管道回填Ⅰ區、Ⅱ區采用了砂礫料、石屑、篩分料等不同墊層。在地震液化段做了振沖樁地基處理,部分換填了砂礫料,地下水浸沒段采取換填砂礫料措施。在以上地段分別做了土壓力監測,進一步分析對PCCP的受力影響。在本項監測中儀器基本布置如圖1所示,從豎向軸開始每隔60°角布置1個土壓力計,每斷面共布置12個土壓力計,共布置了24個此類斷面,具體布置位置、斷面情況見表1。3.1.21.1aso管道中不可避免的鋼絲壓力監控3.1.2.試驗儀器及測試系統考慮本工程實際情況,采用常規鋼筋計既不便安裝又不利于PCCP預應力鋼絲安全。參考類似工程試驗經驗,綜合比較各類傳感器的測量頻次、應用尺寸大小以及測試可靠性,依據PCCP管生產工藝流程,選取管廠在PCCP管制作過程中,在預應力鋼絲上直接粘貼光纖光柵應變計方法,來測量預應力鋼絲應變變化;另通過實驗室荷載加減試驗直接獲得應變變化與應力大小的關系,用于修正校核現場測試計算結果。具體是在PCCP管生產過程中,在其纏絲后保護層輥射前進行儀器安裝,儀器通信光纜從管端頭引出。本項監測共布了5節管,這5節管全部安裝在PCCP管線上。監測儀器的布設,依據設計計算模型獲得的預應力鋼絲應力分布情況,儀器布設示意圖如圖2所示。光纖光柵應變計直接粘貼在受測鋼絲上,每節管沿管軸向共布設四個監測斷面,監測斷面間隔90°分布。每個監測斷面布置4支應變計和一支光纖光柵式溫度傳感器,溫度計用于應變環境修正。各縱斷面儀器通過單芯鎧裝光纜串接盡量減少引出的通信光纜,從管端頭引出,這樣可將儀器線纜對PCCP薄層結構影響降至最低。同時能對PCCP管的工作狀態實現全天候、全自動監測記錄,尤其是對歷時較短的試驗過程監測數據能通過配置高速采集儀實時獲取到,完全可以滿足試驗數據獲取需要,而又不對試驗過程產生任何影響。這4個縱斷面儀器形成4個應變觀測橫剖面。3.1.2.2、試驗監測采用送夾測量用于PCCP管道預應力損失監測和PCCP管道斷絲監測,需要安裝儀器的PCCP管,共選擇10節,傳感器安裝布置如圖3所示。3.2對城市底板和包裹結構的監測3.2.1管支護結構參數分析管線水平轉彎段采用30mm厚鋼制彎頭配件外包混凝土鎮墩,內水壓力由鋼制管件承擔,外部荷載由包封鋼筋混凝土承擔。共選6個鎮墩斷面進行監測,監測斷面選擇原則:工程區線路所經地帶地質條件復雜,選擇不同地質條件,6個鎮墩基礎分別為砂卵石、千枚化頁巖、灰巖、角閃二長巖、碎屑巖、卵礫石;轉彎角度大,覆土深。鎮墩包封結構計算采用北京大學力學與工程科學系編制的SAP84(6.0版)軟件進行計算。通過計算得到應力,根據應力計算結果對鎮墩配筋并確定監測儀器的布置位置。具體儀器布置:鋼筋計15支,對稱布置在管的水平及豎向軸線上及鎮墩靠背下角上;混凝土應變計10支,對稱布置在管及鎮墩的豎向軸線上;無應力計2支,布在中間的位置;土應力計2支,放在鎮墩底面的兩角上。如圖4所示,鎮墩與原狀未擾動土之間的空隙用C15拋石混凝土填充,在鎮墩與填充混凝土之間布置了3個土壓力計,填充混凝土與原狀未擾動土之間布置3個土壓力計。如圖5所示,沉降觀測點7個,監測鎮墩、靠背、PCCP管在豎向的沉降量及三個部位的沉降是否一致,同時也能監測到水平向的位移,以校核鎮墩尺寸的設計是否合理。三向測縫計4套,沿順水流方向鎮墩前布置,布置在鎮墩與PCCP管的接頭上,鎮墩前一根PCCP與PCCP的接頭上,左右管線對稱布置。3.2.2鋼筋、混凝土對稱布置包封截面和鎮墩截面比較相似,只是頂部采取了45°抹角的形式。包封監測斷面共選了6個。鋼筋計14支,對稱布置在管的水平及豎向軸線上。混凝土應變計6支,對稱布置在管及鎮墩的豎向軸線上。無應力計2支,布在中間的位置。土應力計11支,其中8支放在PCCP水平、豎向軸線與鎮墩的接觸面上,另3支放在包封頂面上。3.3圍巖地質及支護監測本工程西甘池隧洞、崇青隧洞及穿越京石高速、大件路均采用洞穿PCCP管型式,PCCP管承擔內水壓力,隧洞鋼筋混凝土襯砌承擔外部荷載。西甘池隧洞共布置4個斷面(見圖6)。監測內容為:隧洞進、出口垂直位移和水平位移監測;隧洞洞身段地表沉降監測;洞身段地質和支護狀況觀察;周邊收斂位移(凈空變形)監測;拱頂下沉監測;鋼支撐、鋼筋內力及外力監測;結構應力、應變監測;孔隙水壓力監測。錨桿測力計在施工初始進出口開挖段布置,共布置2個斷面,每個斷面拱頂處設3個測點進行量測;多點位移計3個,與錨桿測力計位置相似;隧洞設滲壓計2個;土壓力計12個;鋼筋計12支,混凝土應變計6支,無應力計2支。京石高速、大件路暗挖洞共布置3個斷面(見圖7),每個斷面設16個土壓力計,4個滲壓計。4第一部分初步分析4.11.1管道質量分析4.1.1管道鋼筋拉伸性能如圖8所示,鋼筋應力與溫度呈負相關性,即溫度升高,鋼筋應力表現為壓應力增大或拉應力減小,反之溫度降低壓應力將減小或拉應力增大。PCCP管道鋼筋計測值整體較小。通水至今,多數部位測點測值變化較小,測值一般不超過60MPa。4.1.2溫度與溫度相關性如圖9所示,PCCP管道應變計測值整體較小,與溫度呈正相關性。通水至今,各標段應變計測值變化很小,目前應變計測值隨溫度降低有減小的趨勢,基本無異常現象。4.1.3管道回填土壓力本標段土壓力計按其布置形式可分為3類:一是用于監測PCCP管道包封應力;二是用于監測包封混凝土受到的上部回填土壓力;三是用于監測管道周圍的回填土壓力。不同類型的土壓力計測值大小和變化過程具有明顯的不同。如圖10所示,土壓力計測值整體不大。2008年4月初,測值整體增大,最大增幅近400kPa,分析為管道回填土引起。閉水試驗期間,測值變化不大。通水后,測值變化不明顯,通水至今土壓力測值保持穩定,基本無異常現象。4.1.4連接錯誤監控測縫計測值主要隨溫度的降低而不斷增大,但量值整體較小,目前測值趨于穩定(見圖11)。4.2管道整體受力分析如圖12所示,隧洞圍巖應力整體較小,通水后,圍巖應力變化不大,目前主要隨著溫度的變化而