马俊青 MA Jun-qing
（河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016）
（Henan Water & Power Engineering Consulting Co，Ltd，Zhengzhou 450016，China）
摘要： 河南省南水北调供水配套工程在管道管材选择设计中PCCP管材占整个管材比重的80%以上，配套工程输水管道的设计质量直接关系到工程的安全性和经济性。由于PCCP管与其它管材相比具有其特殊性，在地形复杂、线路长的输水管线中，弯管、阀件、封头等配件数量较多，这些配件处必须采取止推措施设计，止推设计是输水线路安全运行的重要设计部分，止推设计的合理性对输水管线的正常运行、工程施工进度、工程造价等都具有很大的影响。本文结合河南省南水北调供水配套工程实际情况，介绍了几种常用的止推方式，以供设计人员在工程设计时参考运用。
Abstract： PCCP pipe accounts than 80% of the whole pipe in the pipe steel tubes selection design of the South-to-North water diversion project in Henan province， the design quality of water pipe supporting engineering is directly related to the safety and economy of the engineering. Compared with other pipes， PCCP tube has its particularity， the parts number of pipe， valve parts， sealing are more in the water pipeline with complex terrain and long line. Thrust design measures must be taken in these parts， thrust design is an important design part of the safe operation of water circuit. The rationality of thrust design has great influence for the normal operation of water pipeline， the engineering construction schedule， the construction cost and so on. In combination with the practical situation of the water supply project of South-to-North water diversion in Henan province， this paper introduces several kinds of commonly used ways of thrust as the reference for designers to use in engineering design.
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关键词 ： PCCP管；连接接头；组合止推；止推墩
Key words： PCCP；pipe connector；combination；thrust thrust block
中图分类号：TV52 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）18-0073-03
作者简介：马俊青（1973-），男，河南驻马店人，高级工程师，郑州工学院水工专业毕业，现主要从事河南省南水北调供水配套工程输水管道方面的设计研究。
0 引言
管道输水工程中，在管道方向改变处（如水平或垂直、管道口径变化处、管线分支部位、阀门设置处、管道进出中等），管内水流由于离心力的水压变化等的作用，都会产生不平衡力，如果没有足够的限制，会引起管体振动，滑动甚至接头脱开，严重时还会造成管体破坏，对管道工程运行安全带来影响。PCCP管止推设计就是为平衡不平衡推力而采取必要的工程措施。
1 工程概况
河南省受水区供水配套工程是指中线总干渠沿线分水口门到各受水城市水厂之间的输水工程。受水目标分布在河南省沿线唐白河流域、淮河流域、黄河流域和海河流域，包括43座受水城市，共48个供水目标。配套工程共布置输水线路总长1000km。许昌市17号孟坡分水口门位于禹州市郭连乡孟坡村北总干渠右岸，总干渠桩号SH(3)98+817.1处，主要向许昌和临颍县水厂供水，口门年均分配水量1.5亿m3，设计流量8.0m3/s，输水管道总长61.65km（不含临颍支线），管材选用预应力钢筒混凝土管（PCCP），管径为DN2400～DN1200，内水压力0.4～0.8MPa。沿程布置进水池1座，穿越工程22座，阀件井129座，镇墩196个，现地管理房6处。2011年4月29日，配套工程已开工建设。
2 止推设计的必要性
许昌市17号输水管道（PCCP）总长61.65km，管径为DN2400、DN2000、DN1200三种，全线水平拐点86个，最大转角89°，竖向拐点50个最大转角9.46°，检修、控制阀30个，管道设计最大内水压力1.0MPa，管顶以上最大覆土10m，在大角度平面和竖向转角处最大推力900 t 左右，这么大的推力必须采取止推设计。止推设计的合理与否对配套工程施工进度、工程造价、正常运行等都具有很大的影响。
3 推力分析
压力管道的推力主要包括由于管道内水压力而产生的静水推力及由于水流动量变化产生的动水推力，通常情况下，大部分输水管道运行时水流流速相对较小，动水推力不显著，如：本工程水流流速为1.33m/s，其动水推力为2.03kN。所以推力计算时通常忽略动水推力。
推力的大小主要与管道接头处内水压力和截面面积有关，对于弯管还与转角大小有关，其数值可用下式确定，推力示意图如图1所示。
4 止推设计
输水线路中的推力与管径的平方成正比关系，止推力方向与推力相反，大小相等且满足规范规定的安全系数。
通常标准管偏转一个小角度所产生的推力是非常小的，一般不需要额外的止推限制，所以在管线布置上可以把弯管角度分散到几处，使弯道半径加大，利用小偏转角处管道的锁定功能，使不平衡推力消失，则可省略止推结构。
作用在大转弯半径的水平弯管段接头上的推力T由于管道顶部和底部的摩擦阻力来抵抗，总摩擦力与推力数值相等，方向相反。满足下式时，不需要限制设施。受力分析如图2所示。
对于带胶圈接头的标准管及斜口管由于转角引起的推力可以靠管道自重或自重引起的摩擦力来承受，一般不需另外的止推措施，而对于配件，由于其推力比较大，如果不采取措施，轴向力会拉开PCCP柔性接头，造成漏水或更大的事故，所以对配件本身，可以靠两种途径来抵抗推力，一是靠配件自重、水重、覆土重或其引起的摩擦力，二是配件周围的土体的被动抵抗力，而当这些止推力不足以平衡推力时，则必须增设止推装置，在国内通常的做法是设镇墩，采用传统的增设镇墩做法一方面会增加投资另一方面也会对工期造成影响，且在一些转弯处还会受到地形、地下管线、地上建筑物的限制，不具备设置镇墩的条件，在设计过程中主要采取了以下几种止推装置，一是采用限制接头，二是增设镇墩，三是采用联合止推型式，下面对这三种止推方式分别加以介绍。
4.1 限制接头止推方式
限制接头止推方式就是将相邻管道的接头固定在一起的方法来抵抗配件处的推力。采用这种方法连接的管道称作限制管道，接头称作限制接头。这种方法可在配件每一侧将数个接头限制在一起，从而增大了限制管道的摩擦力以抵抗推力，国内第一次应用铠装管的工程为山西万家寨引黄联接段工程。限制接头主要有焊接式和机械式，其中焊接式分外焊式和内焊式两种，在实施过程中一个最大缺点是会加大现场工作量，且有可能烧坏胶圈；机械式有夹钳式铠式连接、承口螺栓式连接和卡环式连接。
许昌市17号口门管线采用PCCP管材，由于管径较大，管线在进行检修时，必须将上端检修阀关闭，放空下端管道内存水，此时阀件井上端将承受较大内水压力，巨大的水平推力通过阀门传递到阀室，仅靠阀井本身的自重难以抗滑，如采用阻滑板则工程投资较大，施工进度也比较慢。而PCCP管可采用限制性接头来承受该推力，在阀件的每一侧将数个PCCP管的接头限制在一起，利用限制长度范围内的管重、水重、覆土重的产生的摩擦力来抵抗配件处的止推力。阀门每端限制管段长度用下式计算。对水平弯头、推力向上的垂直弯头、封头等计算公式和此类似，如图3所示。
计算公式：
国内第一次应用铠装管的工程为山西万家寨引黄连接段工程，由于联接段输水线路地形及周边环境条件复杂，弯头、检修阀较多，如果全部采用混凝土镇墩或止推镇，不仅工程成本加大，而且施工速度也很慢。2002年无锡华毅管道公司为此工程专门进行了铠装接头试验，试验非常成功，铠装接头的位移和变形在一定的范围内是可以控制的。
4.2 止推墩止推方式
镇墩设置应通过管道稳定计算来确定，管道自重和水重产生的摩擦力大于所需抵抗推力的，不需设置镇墩，否则均需要设置镇墩。止推墩的设置一方面同传统意义的镇墩作用相同，即可以增加配件处的自重、上覆土重量，从而可以增加摩擦力，摩擦系数的选择根据土壤类型和管道外壁的糙率来确定，通常取值范围为0.25～0.5，对于竖向弯头的下弯头及水平弯头可通过加大支撑面积，以增加配件的抗侧移能力，对于止推墩的尺寸可根据土体的承载能力进行按下式确定。
①水平镇墩稳定计算。
4.3 联合止推方式
联合止推也就是限制性接头与止推墩止推相结合的方式，在有些部位当不能采用正常的镇墩或不能采用完整的铠式接头系统时，可采用这一类型的止推系统。由于PCCP钢筒厚度多为定型标准厚度的薄钢板制作而成，因此，设计者应考虑既符合工程需要，又要充分利用钢筒厚度而减少成本和降低加工难度，如全部采用混凝土镇墩则施工进度慢。混凝土的工程量大，也可采用这一类型的止推系统。
5 效果分析
由于许昌市17口门供水配套工程管径大，压力高，转角大，产生的推力巨大，若采用限制性接头将大大增加管道成本，而且效果也不如设置镇墩可靠，因此，本工程水平转角采用镇墩来承受推力。
检修阀井采用限制性接头来承受推力，17口门输水线路共布置水平镇墩82个，铠装管246个。输水管线止推设计的选择优化，降低了施工难度，节省了工程投资。2014年12月5号周庄水厂正式通水，到目前为止许昌段工程已运行近半年，运行情况良好，证明许昌配套工程PCCP止推设计是合理的、可靠的。
6 结束语
通过应用PCCP管止推设计，在管道输水工程中管道方向改变处管内水流平稳，没有引起管体振动，滑动甚至接头脱开的现象，没有造成管体破坏，没有对管道工程运行安全带来影响。表明输水管线止推设计的选择优化，降低了施工难度，节省了工程投资。这些方法从山西万家寨引黄工程开始陆续使用，工程实践证明还是可靠的。
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参考文献：
[1]姚远，高东锋.PCCP输水管道破损堵漏及结构加固技术[J]. 北京农业，2012（12）.
[2]张四平.PCCP制造原材料质量控制[J].山西水利科技，2003（01）.
[3]王自本.预应力钢筒混凝土管（PCCP）生产中的缺陷处理[J].山西水利科技，2003（02）.