pccp在南水北调中线工程中的应用

1、南水北调总干渠工程效果图热烈欢迎 各位专家、各位同行 参加研讨 PCCP在南水北调中线 工程中的应用河南省水利勘测设计研究有限公司 苗红昌2015年10月 成都当前对于建设项目水土保持防治措施体系的研究较多，按工程项目平面布置来分主要有点状工程和线性工程2种，关于线性工程项目水土保持防治措施研究较多的有公路、铁路，但管道工程水土保持防治措施体系的研究较少。本文以河南省南水北调受水区供水管道为研究对象，本工程在河南省分布于11座省辖市、7座县级市27座县城范围，涉及长江、淮河、黄河、海河四个流域，地貌类型主要为平原、岗坡、沙地等，土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀、局部为风力侵蚀和重力侵蚀，水土流失重点

2、防治区涉及省级预防保护区、重点治理区和重点监督区，因此本工程具有一定的代表性和研究价值。根据对本工程造成的水土流失进行分析，提出水土保持防治措施体系，便于在工程建设中具有针对性的开展水土保持工作。 为适应我国经济社会快速发展，国家对水资源不均衡状况进行调整和分配，长距离引调水工程逐年增多，我国引进了大量的新型管材和新的生产工艺。PCCP是仅几年采用较多的管材，本文以PCCP在南水北调中线工程中的应用为例，从管材选择、PCCP的结构组成、受力特性、设计特点、设计计算以及施工安装技术要求等方面进行介绍，为同类工程应用该管材提供参考。1 工程概况2 输水管材选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设

3、计5 安装技术要求6 结语1 工程概况2 输水管材选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设计5 安装技术要求6 结语天津丹江口北京郑州南水北调中线工程是解决京津及华北地区城市用水、保障受水区经济社会可持续发展、实现生态环境良性循环的重大基础设施，是跨流域、跨区域对水资源进行优化配置的特大型工程。南水北调中线工程主要供水范围为北京市、天津市及河北省的邯郸、邢台、石家庄、保定、衡水、廊坊6个省辖市及14个县级市和65个县城，河南省的南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、濮阳、安阳11个省辖市及7个县级市和25个县城1。陶岔渠首工程穿漳工程丹江口水库234567891011121

4、314161511718192022212423252627282930313233343536373839南水北调中线工程主要由总干渠主体工程、总干渠分水口门至城市自来水厂入口之间的供水配套工程、城市水厂及管网工程三部分组成。天津丹江口北京中线主体工程包括丹江口水库水源工程、汉江中下游补偿工程和输水总干渠工程三部分。总干渠工程南起我省淅川陶岔渠首，北至北京团城湖和天津外环河，全长1432公里，其中渠首至团城湖1277公里，天津干渠155公里。多年平均调水量95亿立方米，渠首设计流量350立方米每秒、加大流量420立方米每秒，入北京设计流量、加大流量分别为60和50立方米每秒。全线大部分采用明

5、渠输水的方式，进入北京城区段56km采用管道输水。郑州陶岔渠首工程穿漳工程丹江口水库234567891011121314161511718192022212423252627282930313233343536373839供水配套工程以总干渠分水口门为纽带，上接总干渠，下连城市水厂，担负着承上启下的输水任务，是南水北调工程能否发挥效益的关键。根据前期设计成果，供水配套工程主要采用管道引水，其中河北省输水线路总长1500多公里2，河南省输水线路总长960多公里3。1 工程概况2 输水管材选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设计5 安装技术要求6 结语南水北调中线工程供水目标多（包括北京、天津

6、130多个城市）、分布范围广（约15万平方公里），设计流量及设计水压力变幅大（流量0.520立方米每秒，压力0.4MPa2.0 MPa），管材选择较为复杂；比如河南省段总干渠共设置分水口门42处向45座城市的85座水厂供水，根据受水目标布局布置49条主干线和41条支线，管道直径级差较多，需要选择相应的不同性能的管道来适应这种复杂情况。（PCCP管）（PCP管）PCP管玻璃钢管目前给水管材有多种，但大都在钢管(SP)、预应力钢筋混凝土管(PCP)、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、球墨铸铁管(DIP)、玻璃钢管(GRP) 、钢塑复合管等中选择，各种管材都有各自的优缺点。比较内容PCP管PCCP管钢

7、管玻璃钢管接口连接柔性承插柔性承插焊接柔性承插防渗漏性能一般好好好抗老化性、耐腐蚀好好差好 重量（Kg/m）管径3m694155601490390管径2m27502700800210施 工容易容易较难回填土要求高管道造价（元/m） (工作压力0.4MPa)管径3m6214708080006490管径2.4m3885497056874510管径2m2700358041073130管径1.2m1228180318181170管径0.8m48211941212490适用范围小管径、小压力大管径，大压力大压力管径压力适中使用寿命3050年2550年承受内压能力及强度小于0.8MPa2MPa2MPa以上

8、1.6MPa承受外压能力及强度一般高一般低管材性能比较表 不同管材管径造价关系图单从造价比较，由图1可以看出，PCP管价格最低，钢管价格最高，PCCP和玻璃钢管价格居中，但直径小于1.2m的PCCP价格高于玻璃钢管，大于1.2m则反之。综上所述，根据本工程的实际情况，管材的选择按以下原则：管径小于等于1.6m、压力低于0.8MPa、地质条件较好的输水管道，选择PCP管；管径大于1.6m、压力高于0.8MPa、地质条件一般的自流输水管道，选择用PCCP管；对于穿越高速公路、省道、国道、铁路等大型跨越建筑物以及沿城区道路布置的小管径输水管道，均采用钢管。该工程采用的PCCP占整个工程的70%以上。

9、1 工程概况2 输水管材选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设计5 安装技术要求6 结语PCCP是预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）的英文缩写。预应力钢筒混凝土管将高强钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的防渗有机地结合在一起，充分、合理地利用了材料各自的物理力学特性，既具有钢筋混凝土管的耐腐蚀能力强、不污染水质的特点，又具有钢管的强度高、抗渗能力强等优良性能，是目前世界上公认的最好的非金属有压输水管材。其基本结构是在带有钢筒、内壁光滑的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，并在其上制作密实而耐久的富水泥砂浆保护层，采用承插口钢圈带有能容纳止

10、水橡胶圈的凹槽，并同钢筒焊接在一起。PCCP由制作工艺的不同分为内衬式（PCCPL）(见图2) 和埋置式（PCCPE）(见图3)两种，通常由下列几部分组成：1. 内衬式PCCP(LCP)2. 埋置式PCCP(ECP)1 工程概况2 输水管材选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设计5 安装技术要求6 结语PCCP结构设计的目的，是在内外荷载组合的情况下，确定管芯混凝土的强度、厚度和预应力钢丝的缠丝量，并保证管道在承受工作荷载和瞬时荷载时、以及管道在可能发生裂缝的特别情况下，管道预压应力和强度有一定的安全余量。依据美国水工协会标准ANSI/AWWA C304DESIGN OF PRESTRES

11、SED CONCRETE CYLINDER PIPE预应力钢筒混凝土压力管设计标准4和我国预应力钢筒混凝土管道技术规程，设计内容主要包括：1）计算由于混凝土徐变和收缩及钢丝应力松弛产生预应力损失后管壁的混凝土和钢材的剩余应力。2）计算作用于管底和管侧的弯矩和轴力。3）计算管壁的抗裂内压和抗弯能力。4）计算荷载和内压组合条件下由弯矩和内压在管内壁引起的应变和应力。4.1 设计内容4.2 PCCP的设计特点PCCP设计遵循正常使用极限状态（确保正常使用荷载作用下的运行）、弹性极限状态（限制进入材料非线性区）和强度极限状态（在非常荷载作用下保证安全）的设计准则，针对管道的顶、底和管侧断面，对混凝土管

12、芯、保护层砂浆、钢筒、预应力钢丝等所有结构部件进行应力和变形计算，使之达到各自的控制标准。为此，需要定期测取并需在材料改变时立即测取混凝土、砂浆的实际的弹性模量、徐变和收缩特性、应力应变关系，外推50年的徐变系数和比徐变系数。设计还需考虑管道内外表面同时或单独的暴露时间（天）和暴露环境的相对湿度，以及高温环境的影响和保护（即干环境、热环境影响）。通过计算，可以保证管道在各种工况下安全运行，并保证预期使用寿命。1）以变形控制为基础，分别控制应力和应变2）变形控制 3）混凝土管芯和外部砂浆保护层的裂缝控制4）构成PCCP的多层结构材料协同工作5）接头设计1）以变形控制为基础，分别控制应力和应变 正

13、常运用情况下，混凝土管芯内、外表面的拉应变仅为1.5个微应变；而保护层砂浆允许的拉应变为6.4个微应变.在正常运用加地面活荷载或在运用中遭受水击荷载，或承受1.1倍水压试验压力时，控制管芯内、外壁拉应变为11个微应变，保护层砂浆为8个微应变。在上述情况下，设计还将控制从管芯内壁到钢筒之间的径向拉应力不大于0.082MPa。混凝土管芯的压应力控制在设计抗压强度的0.55（恒载）和0.65倍（恒载加活载）。 当处于弹性极限状态时，在相当于在正常运用加1.1倍地面活荷载或承受1.21倍水压试验压力时，钢丝和混凝土的最大应力均控制在弹性限度之内。而在此阶段，超出极限状态的概率小于0.001。 强度极限

14、状态系对钢丝屈服、管芯混凝土压碎和管道胀破等极限破坏情况的验算。采用的荷载是1.3倍的工作荷载加2.0倍的活荷载，或1.6倍的工作压力加上2.0倍的水击压力。在此情况下，不发生强度破坏。2）变形控制设计中，对各种与混凝土和砂浆变形有关系的因素均进行了相应的考虑。特别是建筑在混凝土等材料的长期性、耐久性效应研究基础上的徐变和收缩变形预测。针对预应力结构对变形敏感的特点，规范考虑了下列影响因素：管道在不同湿度条件下的内、外表面的分别和单独暴露时间（天）与规范规定时间不同时，将对变形系数进行修正；管道在高温、干燥和两者兼有的情况下应采取的保护措施；管芯混凝土在未来50年的徐变、收缩和温度效应的预测和

15、修正：需要每6个月进行一次或改变骨料和水泥来源时立即进行质量保证试验，测试内容包括混凝土弹模、徐变、收缩、抗压强度，并需将其中的徐变和收缩变形用数学模型外推50年，得出徐变系数和收缩系数，然后与美国混凝土协会标准参数进行比较。如有大于10%的差异，同样应对计算参数进行修正。3）混凝土管芯和外部砂浆保护层的裂缝控制C304规范规定的裂缝宽度是极为严格的， 规范引用的混凝土应力应变关系表明：管芯混凝土在达到最大抗拉强度时，产生1个微应变；此后直到产生11个微应变时，拉应力下降为0。在此区间保持直线关系。1.5个微应变为出现微裂缝的起始点，达到11个微应变时为可见裂缝起始点。砂浆的应力应变关系与此类

16、似，当达到8个微应变时即开始出现可见裂缝。结构工程师的研究，上述混凝土受拉应力应变过程可分为未出现裂缝的初始状态区、应变“软化”状态区（末出现可视裂缝）和裂缝状态区等三个区域。微裂缝是随机的、细微、短小且不连续的裂缝，只有借助显微镜才能看到。它们通常发生在骨料和胶凝材料的界面处。由于是非贯通缝，故结构仍可承担拉应力。当混凝土拉应力下降为0时，即进入裂缝状态。随着应变的增加，通常可以用肉眼直接看到。Kennison将其量化为：微裂缝宽度为0.025mm；可视裂缝的宽度为0.05mm。4）构成PCCP的多层结构材料协同工作人们会担心埋置于混凝土之中的钢筒与混凝土结合是否良好。从混凝土管芯极为严格的

17、变形控制，以及不允许钢筒出现拉应力的控制条件来看，管芯与钢筒能够协同工作，不会发生切向分离；而管芯至钢筒之间径向拉应力控制在0.082MPa之内的限制条件，又保证了钢筒与混凝土不会发生径向分离。规范对水泥砂浆保护层结合牢靠性也进行了考虑：为了保证砂浆同混凝土管芯及钢丝有效结合，特规定缠绕预应力钢丝时要保持最小净间距。对埋置式管，净间距须不小于钢丝直径，不超过38mm；对内衬式管，净间距不小于1.75倍钢丝直径，不超过25mm。C301还相应规定了在缠丝前和喷砂浆前，要同时喷涂一层规定稠度的水泥净浆；砂浆保护层还有厚度、均匀程度、允许最大吸水率等规定。同时对每一个焊接好的钢筒都要经过压水试验检查

18、，所有的漏水点都必须补焊并再次检查，因此成品管应该说是不会漏水的。 5）接头设计承插口钢圈是经过超过材料屈服极限的胀圆机加工成型的，尺寸准确，圆度好。承口上带有安装橡胶止水圈的凹槽。受到压缩的0形胶圈，可以圆满地实现止水。承插口安装后，内部须用水泥砂浆勾缝；接头外部要在一条环形织物包带内灌注流动性好的水泥砂浆。这样，就把所有暴露的金属材料全部保护起来了。承插口是和钢筒焊接在一起的；而承插口又可以采用焊接、卡环连接和扣接等，以形成所谓“限制性接头”，从而可以使管线传递纵向力。在大多数情况下，采用这种接头可以部分或全部代替镇墩。每一个管接头还可以形成一个较小的偏转角，使管道很好地适应地形；在某些情

19、况下，还可以用一系列接头偏转角来代替集中转弯，化解侧向推力。4.3 设计计算PCCP的设计计算采用钢丝面积试算法进行，即在设计条件下先假定一个缠丝面积，试算检验该面积下是否符合PCCP的全部检验准则，如果符合则减少缠丝面积再检验，反复试算直到找到符合全部监测准则的最小钢丝面积。对于同一种管径、设计内压的管材，不同管芯厚度、混凝土强度、覆土厚度将对应不同的缠丝面积，以河南省南水北调许昌18号分水口门输水管道工程为例进行计算。18号分水口门输水线路长13.1km5，采用埋置式PCCP，其中DN1400长4.4km、工作压力0.6MPa， DN1200长8.7km、工作压力0.8MPa。根据管径、工

20、作压力和覆土厚度，分析计算不同管芯厚度、混凝土强度和钢丝直径的覆土厚度t缠丝面积As的关系，并绘制成曲线（限于篇幅，仅附不同管芯厚度下的t As关系曲线）。图3 不同管芯厚度的tAs关系曲线从计算曲线可以看出，增加管芯厚度hc可明显减小配筋量及增大可承受覆土厚度，但同时也会增加管道自重；增加混凝土强度fc5也可以减小配筋量及增大可承受覆土厚度，但影响不大；增加钢丝直径ds几乎不影响配筋量，但可明显增大可承受覆土厚度。考虑输水管道沿线地形比较简单，覆土厚度不大，工压不高，芯厚度hc按管道直径DN1400采用120mm，DN1200采用90mm；预应力钢丝直径ds采用5mm。同时为了减少管型，降低

21、制管成本，结合覆土厚度和工压将配筋相近的管型进行合并，合并后2种管径各3种管型，各管型计算成果见表2。表1 18号分水口门PCCP管结构设计成果公称内径Do(mm)工作压力(MPa)水锤压力(MPa)检验压力(MPa)覆土高度(m)管芯厚度hc(mm)钢筒内径Dy(mm)接口直径Dj(mm)混凝土强度(MPa)钢丝直径ds(mm)缠丝螺距Sw(mm)缠丝面积(mm2/m)安装长度L(mm)14000.60.280.9212015041507C50529.36705000424.6798619.6100212000.80.321.129012891292C50526.57415000422.68

22、69617.311351 工程概况2 PCCP结构组成3 PCCP结构设计4 安装技术要求5 结语4.1 管道安装技术在沟槽地基、管道、橡胶圈检验合格后可吊管入沟槽安装。管道基础为人工土弧基础，管道安装运输时不得扰动地基。管道入沟槽前，应逐根检查管材和承、插口有无损坏现象。如有损坏，应对损坏部位修补合格后方可使用。承插口采用双橡胶接口，橡胶圈在套入插口环凹槽之前，应将橡胶圈涂满润滑剂，或在装有润滑剂的专用容器内浸过。管道安装一般应将承口端面向安装方向，安装时宜自下游开始，承口朝向施工前进方向，管道安装时，为防止承插口环碰撞，待装管应缓慢而平稳地移动。对口时，应使插口端与承口端保持平行。当管道移动至距已装好管道的承口100-200mm时，用方木支垫在两管间。各项准备工作完成后，撤除支垫方木，采用内拉法或外拉法，使待装管徐徐平行移动，直至达到规定的安装间隙。对于直线段，安装间隙应控制在25+5mm、25-10mm范围内，当管道基础不均一时，最大允许内部间隙为25mm。管道接头设计有转角时，接头的最小间隙不小于10mm。安装完毕管道内底高程允许偏差30mm。每节管道安装完毕后，应