南水北调中线北京段pccp管道工程设计

南水北调中线北京段pccp管道工程设计

南水北调中后期惠南庄-大宁段的pcp管道管道是北京段最长的大型引水管道，全长56.3公里（包括西甘池洞和崇青洞）。PCCP管道工程由2排直径4.0m的PCCP压力管道、5处分水口建筑物、3处连通建筑物、102处排气阀井建筑物、19处排空阀井建筑物、1处末端控制阀井建筑物、2处穿隧洞建筑物、4处穿铁路建筑物、17处穿主要等级公路建筑物、27处河道防护工程、全线阴极保护、永久巡线路及穿巡线路建筑物等组成。本文主要对PCCP管道安全监测设计进行研究。1安全监测设计的原则南水北调中线京石段惠南庄—大宁段PCCP管道工程是我国目前采用PCCP管径最大、单节管道最重的水利工程。超大口径PCCP管道的使用在我国尚属起步阶段,有关安全监测设计可参照的工程和规程规范较少,安全监测设计主要依据《混凝土坝安全监测技术规范》(DL/T5178—2003)。安全监测总的指导思想是:科学、实用、可靠、便于日常管理和维护。根据PCCP管道工程的具体情况,针对建筑物的不同特点,安全监测设计中主要遵循以下原则:(1)安全监测目的明确。由于南水北调管道工程采用长距离、超大口径PCCP输水,而且沿线水文、地质条件复杂,交叉建筑物较多,生产、运输、安装工艺复杂,管道工作压力变化较大。针对以上情况,监测目的主要是为PCCP管道制造、施工安装、通水运行安全提供充分的压力、渗流、变形、应力、应变数据,同时,为同类输水工程的监测设计提供借鉴,为超大口径PCCP管道结构安全、安装工艺及质量控制标准进行系统研究提供宝贵数据。(2)安全监测项目全面,重点突出。为了全面反映PCCP管道的工作状态,设计中主要对PCCP管道的水力特性、标准PCCP管道结构安全、镇墩稳定、包封结构与管道联合受力、隧洞衬砌结构与管道受力状况、暗挖洞施工及运行期结构安全、阴极保护测试等作为监测重点;另外,对于管道对地下水阻隔影响、管道位移及不均匀沉降进行监测。安全监测项目既突出重点,又兼顾全面,相关项目统筹安排,相互配合。(3)监测设备实用、可靠。(4)监测方案可行,确保工程安全。(5)经济合理。一般同种监测断面要选择2个或2个以上断面,这样得到的数据互相之间有校核作用,以防有仪器安装失败,得到无效的数据。(6)观测方便、直观,有良好的交通条件。2主要监控任务和项目2.1pccp结构安全监测首先,进行PCCP和垫层的联合受力(即土壤—管道相互作用)监测分析,验证马斯顿理论及奥兰多系数,提出高覆土问题的解决方案和沟槽的最佳填筑方式。然后,通过监测埋设管道在内压、外荷载、管重和管内水重等荷载情况下所产生的极限轴力和极限弯矩,利用极限状态设计法来验证是否超出三个极限状态设计准则。第三,通过对长期放置的PCCP管、裂缝PCCP管及断丝管道进行现场试验,为PCCP结构安全评价提供合理的数值依据。并通过这次试验进行如下分析:(1)分析验证由预应力松弛后能否继续满足使用要求;(2)评估裂缝对PCCP结构安全的影响;(3)研究高强断丝对PCCP结构安全的影响。监测项目包括:(1)土压力分布;(2)管道预应力钢丝应力。2.2试验监测及防振效果分析首先进行深覆土情况下混凝土包封受力、PCCP管道与混凝土包封的联合受力状况监测分析。然后通过分析在充水打压试验、自流及加压输水工况下的镇墩监测数据,分析管道镇墩的止推及防振效果。监测项目包括:(1)土压力分布;(2)包封混凝土、镇墩混凝土应变;(3)包封钢筋、镇墩钢筋应力;(4)结构与PCCP间缝隙,PCCP与PCCP间缝隙;(5)镇墩沉降、位移监测。2.3支护应力及抗拔力监测项目进行岩石隧洞、暗挖洞结构、围岩及PCCP管道的工作状态监测分析。监测项目包括:(1)外水压力;(2)山岩压力,围岩与支护之间压力,PCCP管外部压力;(3)支护、衬砌内应力;(4)钢筋应力;(5)锚杆内力及抗拔力;(6)围岩位移。3安全配置针对上述监测任务及项目,主要监测布置如下。3.1管道结构安全监控3.1.1研究方法管身的结构计算严格按照《预应力钢筒混凝土压力管设计标准》(ANSI/AWWAC304-99)设计,设计方法为极限状态设计准则。竖向土荷载的计算依据是Marston理论:埋管的竖向土荷载计算公式根据不同开槽方式(沟埋管和上埋管)有两种。本工程管道为双排管道,设计沟槽底宽13.7m,管顶处沟槽宽度为16.7～22.3m,经计算,过渡沟槽宽度为5.5～9.2m,均小于管顶设计沟槽宽度,故竖向土荷载按照上埋管进行计算。受PCCP管道承受覆土深度限制,北京段PCCP管道沿线有将近8.4km没有回填到原状地面,约2.7km做了混凝土包封。本工程在部分段采用减压沟槽埋设回填方式以优化管道结构和优化受力情况。根据工程施工设备、地基情况、施工方法等条件不同,采用了沟埋式及填埋式两种方式;同时管道回填Ⅰ区、Ⅱ区采用了砂砾料、石屑、筛分料等不同垫层。在地震液化段做了振冲桩地基处理,部分换填了砂砾料,地下水浸没段采取换填砂砾料措施。在以上地段分别做了土压力监测,进一步分析对PCCP的受力影响。在本项监测中仪器基本布置如图1所示,从竖向轴开始每隔60°角布置1个土压力计,每断面共布置12个土压力计,共布置了24个此类断面,具体布置位置、断面情况见表1。3.1.21.1aso管道中不可避免的钢丝压力监控3.1.2.试验仪器及测试系统考虑本工程实际情况,采用常规钢筋计既不便安装又不利于PCCP预应力钢丝安全。参考类似工程试验经验,综合比较各类传感器的测量频次、应用尺寸大小以及测试可靠性,依据PCCP管生产工艺流程,选取管厂在PCCP管制作过程中,在预应力钢丝上直接粘贴光纤光栅应变计方法,来测量预应力钢丝应变变化;另通过实验室荷载加减试验直接获得应变变化与应力大小的关系,用于修正校核现场测试计算结果。具体是在PCCP管生产过程中,在其缠丝后保护层辊射前进行仪器安装,仪器通信光缆从管端头引出。本项监测共布了5节管,这5节管全部安装在PCCP管线上。监测仪器的布设,依据设计计算模型获得的预应力钢丝应力分布情况,仪器布设示意图如图2所示。光纤光栅应变计直接粘贴在受测钢丝上,每节管沿管轴向共布设四个监测断面,监测断面间隔90°分布。每个监测断面布置4支应变计和一支光纤光栅式温度传感器,温度计用于应变环境修正。各纵断面仪器通过单芯铠装光缆串接尽量减少引出的通信光缆,从管端头引出,这样可将仪器线缆对PCCP薄层结构影响降至最低。同时能对PCCP管的工作状态实现全天候、全自动监测记录,尤其是对历时较短的试验过程监测数据能通过配置高速采集仪实时获取到,完全可以满足试验数据获取需要,而又不对试验过程产生任何影响。这4个纵断面仪器形成4个应变观测横剖面。3.1.2.2、试验监测采用送夹测量用于PCCP管道预应力损失监测和PCCP管道断丝监测,需要安装仪器的PCCP管,共选择10节,传感器安装布置如图3所示。3.2对城市底板和包裹结构的监测3.2.1管支护结构参数分析管线水平转弯段采用30mm厚钢制弯头配件外包混凝土镇墩,内水压力由钢制管件承担,外部荷载由包封钢筋混凝土承担。共选6个镇墩断面进行监测,监测断面选择原则:工程区线路所经地带地质条件复杂,选择不同地质条件,6个镇墩基础分别为砂卵石、千枚化页岩、灰岩、角闪二长岩、碎屑岩、卵砾石;转弯角度大,覆土深。镇墩包封结构计算采用北京大学力学与工程科学系编制的SAP84(6.0版)软件进行计算。通过计算得到应力,根据应力计算结果对镇墩配筋并确定监测仪器的布置位置。具体仪器布置:钢筋计15支,对称布置在管的水平及竖向轴线上及镇墩靠背下角上;混凝土应变计10支,对称布置在管及镇墩的竖向轴线上;无应力计2支,布在中间的位置;土应力计2支,放在镇墩底面的两角上。如图4所示,镇墩与原状未扰动土之间的空隙用C15抛石混凝土填充,在镇墩与填充混凝土之间布置了3个土压力计,填充混凝土与原状未扰动土之间布置3个土压力计。如图5所示,沉降观测点7个,监测镇墩、靠背、PCCP管在竖向的沉降量及三个部位的沉降是否一致,同时也能监测到水平向的位移,以校核镇墩尺寸的设计是否合理。三向测缝计4套,沿顺水流方向镇墩前布置,布置在镇墩与PCCP管的接头上,镇墩前一根PCCP与PCCP的接头上,左右管线对称布置。3.2.2钢筋、混凝土对称布置包封截面和镇墩截面比较相似,只是顶部采取了45°抹角的形式。包封监测断面共选了6个。钢筋计14支,对称布置在管的水平及竖向轴线上。混凝土应变计6支,对称布置在管及镇墩的竖向轴线上。无应力计2支,布在中间的位置。土应力计11支,其中8支放在PCCP水平、竖向轴线与镇墩的接触面上,另3支放在包封顶面上。3.3围岩地质及支护监测本工程西甘池隧洞、崇青隧洞及穿越京石高速、大件路均采用洞穿PCCP管型式,PCCP管承担内水压力,隧洞钢筋混凝土衬砌承担外部荷载。西甘池隧洞共布置4个断面(见图6)。监测内容为:隧洞进、出口垂直位移和水平位移监测;隧洞洞身段地表沉降监测;洞身段地质和支护状况观察;周边收敛位移(净空变形)监测;拱顶下沉监测;钢支撑、钢筋内力及外力监测;结构应力、应变监测;孔隙水压力监测。锚杆测力计在施工初始进出口开挖段布置,共布置2个断面,每个断面拱顶处设3个测点进行量测;多点位移计3个,与锚杆测力计位置相似;隧洞设渗压计2个;土压力计12个;钢筋计12支,混凝土应变计6支,无应力计2支。京石高速、大件路暗挖洞共布置3个断面(见图7),每个断面设16个土压力计,4个渗压计。4第一部分初步分析4.11.1管道质量分析4.1.1管道钢筋拉伸性能如图8所示,钢筋应力与温度呈负相关性,即温度升高,钢筋应力表现为压应力增大或拉应力减小,反之温度降低压应力将减小或拉应力增大。PCCP管道钢筋计测值整体较小。通水至今,多数部位测点测值变化较小,测值一般不超过60MPa。4.1.2温度与温度相关性如图9所示,PCCP管道应变计测值整体较小,与温度呈正相关性。通水至今,各标段应变计测值变化很小,目前应变计测值随温度降低有减小的趋势,基本无异常现象。4.1.3管道回填土压力本标段土压力计按其布置形式可分为3类:一是用于监测PCCP管道包封应力;二是用于监测包封混凝土受到的上部回填土压力;三是用于监测管道周围的回填土压力。不同类型的土压力计测值大小和变化过程具有明显的不同。如图10所示,土压力计测值整体不大。2008年4月初,测值整体增大,最大增幅近400kPa,分析为管道回填土引起。闭水试验期间,测值变化不大。通水后,测值变化不明显,通水至今土压力测值保持稳定,基本无异常现象。4.1.4连接错误监控测缝计测值主要随温度的降低而不断增大,但量值整体较小,目前测值趋于稳定(见图11)。4.2管道整体受力分析如图12所示,隧洞围岩应力整体较小,通水后,围岩应力变化不大,目前主要随着温度的变化而