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，热烈欢迎专家和同行参与讨论，PCCP在南水北调中线工程中的应用，苗宏昌，河南水利勘测设计研究有限公司，成都，2015年10月，目前，关于建设项目水土保持防治措施体系的研究较多，根据项目平面布局可分为两类，即点工程和线工程。本文以河南省南水北调受水区供水管道为研究对象。该项目分布在河南省的11个省辖市、7个县级市和27个县城，涉及长江、淮河、黄河和海河。地貌类型主要为平原、山坡和沙地，土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀、局部风蚀和重力侵蚀。水土流失重点防治区包括省级防治区、重点治理区和重点监管区。通过对该工程造成的水土流失的分析，提出了水土保持防治措施体系，便于在工程建设中开

2、展有针对性的水土保持工作。为了适应我国经济社会的快速发展，国家对水资源的不平衡状况进行了调整和分配，长距离调水工程的数量逐年增加。中国引进了大量新管道和新生产技术。PCCP近年来被广泛使用。摘要：以PCCP在南水北调中线工程中的应用为例，介绍了管道选型、PCCP结构组成、受力特点、设计特点、设计计算以及施工安装技术要求等。从而为类似工程提供参考。1工程概况2输水管道选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设计5安装技术要求6结论1工程概况2输水管道选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设计5安装技术要求6结论，天津、丹江口、北京、郑州、南水北调中线工程是解决北京、天津和华北地区城市用水问题，

3、保证受水区经济社会可持续发展，实现生态环境良性循环的重要基础设施。优化跨流域跨区域水资源配置是一项超大型工程。南水北调中线工程主要供水范围包括河北省的北京、天津、邯郸、邢台、石家庄、保定、衡水、廊坊，河南省的14个县级市和65个县城，11个省级市、7个县级市和25个县城。洮茶渠首工程、张川工程、丹江口水库、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、16、15、1、17、18、19、20、天津、丹江口、北京、中线干线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干渠工程。干渠工程南起我省淅川道岔渠首，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

4、公里，距天津干渠155公里。多年来，平均输水量为95亿立方米，渠首设计流量为每秒350立方米，增加流量为每秒420立方米，进京设计流量和增加流量分别为每秒60立方米和每秒50立方米。全线大部分采用明渠输水方式，56公里进京段采用管道输水。郑州、洮茶渠首工程、张川工程、丹江口水库、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、16、15、1、17、18、10配套供水工程由总干渠出水口连接，与总干渠连接，与连城水厂连接，是南水北调工程效益的关键。根据以前的设计结果，供水1工程概况2输水管道选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设计5安装技术要求6结论：南水北调中线工程供水目标多(

5、包括京津130多个城市)，分布范围广(约15万平方公里)，设计流量和设计水压变化大(流量0.520立方米/秒，压力0.4兆帕2.0兆帕)，管道选择复杂。例如，河南省的主要运河设有42个引水闸门，向45个城市的85个水厂供水。根据受水目标布置，共布置49条主线和41条支线，管线直径差异较大，因此需要选择相应的不同性能的管线来适应这种复杂的情况。目前，给水管道的种类很多，但大部分是钢管、预应力钢筋混凝土管、预应力混凝土圆柱管(PCCP)、球墨铸铁管(DIP)、玻璃钢管(GRP)、钢塑复合管等。各种管材各有优缺点，不同管径的管材性能对比表和成本关系图。单从成本比较来看，从图1可以看出，五氯苯酚管的价

6、格最低，钢管的价格最高，而PCCP和玻璃钢管的价格居中，但直径小于1.2m的PCCP的价格高于玻璃钢管，直径大于1.2m的则相反.综上所述，根据本工程的实际情况，管材的选择应遵循以下原则：管径小于等于1.6m、压力小于0.8MPa、地质条件良好的输水管道应选用五氯苯酚管材；重力输水管道选用PCCP管，管径大于1.6m，压力大于0.8MPa，地质条件一般。钢管用于高速公路、省道、国道、铁路等大型交叉建筑，以及沿城市道路布置的小口径输水管道。这个项目中使用的PCCP占整个项目的70%以上。项目概述2输水管道选择3 PCCP结构组成4 PCCP结构设计5安装技术要求6结论PCCP是预应力混凝土圆柱管

7、的英文缩写。预应力混凝土圆柱管将高强钢丝的抗拉强度、混凝土的抗压强度和钢板的防渗性有机地结合起来，充分合理地利用材料的物理力学性能。它具有抗腐蚀性强、不污染钢筋混凝土管水质、钢管强度高、抗渗能力强的特点，被公认为目前世界上最好的非金属加压输水管道。其基本结构是将环向预应力钢丝缠绕在钢筒内壁光滑的高强混凝土管芯上，并在其上形成密实耐久的富水泥砂浆保护层。承插钢圈上设有可容纳止水橡胶圈的凹槽，并与钢筒焊接。PCCP可分为两种类型：PCCPL(见图2)和PCCPE(见图3)，它们通常由以下部分组成：1 .LCP，2。ECP，1。项目概述2。水管的选择3。PCCP结构4。PCCP结构设计5。安装的技术

8、要求。结论。PCCP结构设计的目的是在内外荷载共同作用的情况下，确定管芯混凝土的强度和厚度以及预应力钢丝的缠绕量，确保管道承受工作荷载和瞬时荷载时，以及管道可能开裂的特殊情况下，管道的预压应力和强度有一定的安全裕度。根据美国液压协会标准ansi/AWWA c304预应力混凝土圆筒管设计标准4和我国预应力混凝土圆筒管技术规范，设计内容主要包括：1)计算混凝土徐变收缩和钢丝应力松弛引起预应力损失后混凝土和钢筋的残余应力。2)计算作用在管道底部和侧面的弯矩和轴向力。3)计算管壁的抗裂内压和抗弯能力。4)计算组合载荷作用下管道内壁弯矩和内压引起的应变和应力、4.1设计内容、4.2 PCCP PCCP设

9、计的设计特点遵循正常使用极限状态(确保正常使用荷载下的运行)、弹性极限状态(限制进入材料非线性区)和强度极限状态(确保非常荷载下的安全)的设计准则。根据管道的顶、底、侧断面，计算混凝土管芯、防护砂浆、钢筒、预应力钢丝等所有结构构件的应力和变形，因此，有必要在材料发生变化时，定期、立即测量混凝土和砂浆的实际弹性模量、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。设计还应考虑管道内外表面同时或分别暴露的时间(天数)、暴露环境的相对湿度以及高温环境(即干燥环境和热环境)的影响和保护。通过计算，可以保证管道在各种工况下的安全运行和预期的使用寿命。1)基于变形控制，分别控制应力和应变；

10、2)变形控制；3)混凝土管芯和外砂浆保护层的裂缝控制；4)构成PCCP的多层结构材料的合作；5)接缝设计；1)基于变形控制，分别控制应力和应变；正常运行时，混凝土管芯内外表面的拉伸应变仅为1.5微应变；然而，防护砂浆的容许拉伸应变为6.4微应变。在地面动载荷、水锤载荷或1.1倍水压试验压力的正常操作下，模具内外壁的拉伸应变控制在11微应变，而防护砂浆的拉伸应变为8微应变。在上述条件下，设计还将控制筒芯内壁至钢筒的径向拉应力不超过0.082兆帕。混凝土芯的压应力应控制在设计抗压强度的0.55倍(恒载)和0.65倍(恒载加活载)。当处于弹性极限状态时，钢丝和混凝土的最大应力控制在弹性极限内，相当于

11、正常运行时增加1.1倍的地面活荷载或承受1.21倍的水压试验压力。在这个阶段，超过极限状态的概率小于0.001。极限强度状态是对钢丝屈服、管芯混凝土破碎、爆管等极限破坏条件的验算。采用的荷载为工作荷载的1.3倍加活载的2.0倍，或工作压力的1.6倍加水锤压力的2.0倍。在这种情况下，不会发生强度失效。2)在变形控制设计中，相应地考虑了与混凝土和砂浆变形相关的各种因素。特别是在研究混凝土和其他材料的长期和耐久性影响的基础上预测建筑物的徐变和收缩变形。根据预应力结构对变形敏感的特点，规范中考虑了以下因素：当管道内外表面在不同湿度条件下的暴露时间(天)与规范中规定的时间不同时，变形系数将进行修正；高

12、温、干燥及两种情况下的管道保护措施；未来50年管芯混凝土徐变、收缩和温度效应的预测和修正：质量保证试验应每6个月进行一次，或在骨料和水泥来源发生变化时立即进行。试验内容包括混凝土的弹性模量、徐变、收缩和抗压强度，徐变和收缩变形应通过数学模型外推50年，得到徐变系数和收缩系数，然后与美国混凝土协会的标准参数进行比较。如果有超过10%的差异，计算参数也应修改。3)混凝土核心和外砂浆保护层的裂缝控制C304规范规定的裂缝宽度非常严格。规范中引用的混凝土应力应变关系表明，当核心混凝土达到最大抗拉强度时，将产生微应变；此后，拉伸应力降至0，直到出现11次微应变。在这段时间内保持直线关系。1.5微应变是微

13、裂纹的起点，11微应变是可见裂纹的起点。压力根据结构工程师的研究，上述混凝土的拉应力-应变过程可分为三个区域：无裂缝的初始状态区域、应变“软化”状态区域(无可见裂缝出现)和裂缝状态区域。微裂纹是随机的、细小的、短的和不连续的裂纹，只有借助显微镜才能看到。它们通常出现在骨料和胶结材料之间的界面上。由于是非贯通接头，该结构仍能承受拉应力。当混凝土的拉应力降至0时，将进入开裂状态。随着应变的增加，通常可以用肉眼直接看到。肯尼森将其量化为：微裂纹的宽度为0.025毫米；可见裂纹的宽度为0.05毫米.4)构成PCCP的多层结构材料共同工作。人们会担心埋入混凝土中的钢筒是否与混凝土结合良好。从非常严格的混

14、凝土管芯变形控制和钢瓶不允许产生拉应力的控制条件来看，管芯和钢瓶可以不切向分离地一起工作；管芯与钢筒之间的径向拉应力控制在0.082兆帕以内的极限条件保证了钢筒与混凝土不会径向分离。规范还考虑了水泥砂浆保护层的粘结可靠性：为了保证砂浆与混凝土管芯和钢丝的有效粘结，特别规定了缠绕预应力钢丝时应保持最小净间距。埋地管道的净距不得小于钢丝直径，不得大于38毫米；对于内衬管，净间距不得小于钢丝直径的1.75倍，且不得超过25毫米。C301还规定，在缠丝和喷涂砂浆前，应同时喷涂一层规定稠度的水泥浆。还规定了砂浆保护层的厚度、均匀性和允许的最大吸水率。同时，每一个焊接好的钢瓶都要进行水压试验，所有漏水点都

15、要重新修理和检查，这样成品管才不会漏水。5)接头承插钢圈设计采用胀形加工，超出材料的屈服极限，尺寸准确，圆度好。插座上设有安装橡胶止水环的凹槽。压缩的O型橡胶圈可以成功止水。插座安装后，内部必须用水泥砂浆勾缝；流动性好的水泥砂浆应灌入接缝外的环形纤维带中。这样，所有暴露的金属材料都得到保护。插座与钢瓶焊接在一起。此外，承口可以焊接，卡环连接和扣合，形成所谓的“限制接头”，使管道可以传递纵向力。在大多数情况下，这种接头可以部分或完全取代桥墩。每个管接头还可以形成一个小的偏转角，使管道能很好地适应地形；在某些情况下，可以使用一系列关节偏转角来代替集中转动来解决横向推力。4.3设计计算PCCP采用导

16、线面积测试算法进行设计计算，即在设计条件下，首先假设一个导线缠绕面积，并试着检查其是否满足PCCP的所有检验标准。如果是，减少重新检查的绕线面积，并反复尝试找到满足所有监控标准的最小绕线面积。对于相同管径和设计内压的管道，不同的管芯厚度、混凝土强度和覆土厚度将对应不同的包线面积。以河南省南水北调工程许昌18号配水闸门输水管道工程为例，进行了计算。18号配水闸门输水线路长13.1公里，采用嵌入式PCCP，其中DN1400长4.4公里，工作压力0.6兆帕，DN1200长8.7公里，工作压力0.8兆帕.根据管径、工作压力和覆盖厚度，分析计算不同管芯厚度、混凝土强度和钢丝直径的覆盖厚度t与缠绕面积As的关系，并绘制曲线(受空间限制，只附不同管芯厚度的t As关系曲线)。图3不同管芯厚度的