钢管作为给水压力管在地势复杂区域的设计

钢管作为给水压力管在地势复杂区域的设计

姚莉

南京市市政设计研究院有限责任公司江苏南京210000

摘要：本文通过对国家级某景区地势复杂区域钢管作为给水压力管的设计，得出地势复杂区域压力管设计的相关经验，以供参考。

关键词：无缝钢管；强度计算；实验压力；水锤压力；工作压力；扬程

一、工程简介

工程供水现状：水源来自自来水公司竹林新村泵站，经压力提升至明孝陵增压站，为无负压供水泵房，为东郊宾馆、东苑宾馆及景区增压站等区域供水。景区增压站为灵堂1#蓄水池（民国时期建）、东沟停车场、嘉麟楼、博爱广场、某景区商业街、紫岚里商业街、滑道游乐园、苗圃场、景区（新果园）等紫金山东南侧区域及嘉陵楼蓄水池供水，往灵堂1#蓄水池供水管为管径DN100球墨铸铁管，现供水4~6小时/天，由自来水公司管理维护。景区管理局内部供水系统，灵堂1#蓄水池规模为80m3（民国时期建成），负责为灵堂、景区1号公厕等片区供水，另外通过自流进入其灵堂2#蓄水池（建国后建成），规模为30m3。两座水池间距约20m，所在地高程约为吴淞高程178m和164m。

工程概况：灵堂2#蓄水池，由水库内一台泵通过单根DN50钢管向山上永慕庐水库（100m3）、山顶水库（30m3）、山顶消防水池、西马腰配套及消防水池供水，其中永慕庐水库高程约329m；山顶水库高程约418m。山顶水池通过重力自流为山顶消防水池及西马腰消防水池供水。两座消防水池规模均为100m3。灵堂2#蓄水池泵站内配备水泵一台，额定流量及扬程分别为Q=17m3/h，H=354m。受管径所限，目前运行工况下实际供水能力约7m3/h，由人工操作间歇式向两座水库供水（夜间不供水）。日平均供水量50m3/d，现状DN50供水管长度约2300m。

本工程为某景区灵堂北侧至山顶公园景区段供水管线沿途区域，总长约2.3km的供水主管系统改造。该景区地质状况为：表层为填土，层厚0.10~3.30米，下面为强风化石英砂岩及中风化石英砂岩，坡角为20度，四周植被环绕，易浅挖浅埋。钢管的管壁截面稳定性及变形均能满足要求。计算山里平均每上升160米温度下降1℃，管材全长设置保温材料。永幕路水库以西管道混凝土包封置于排水渠外侧挡墙上,其他均与地坪平齐包封。

二、压力管设计

1.压力管管壁厚度的确定

市政给水设计内水压力一般不超过1.1Mpa，即使是高层，也会在设备层二次送水。5A景区，考虑生态因素，减少对周边环境影响，一次送水至山顶花园。基于这么大的扬程如此大的设计内水压力，采用Q345B无缝钢管，常用于煤矿井下排水泵站。埋地管道结构壁厚t一般均不大于1/10管内径D，属于薄壁圆管，根据《地下管设计》径向应力趋近于零，只考虑环向应力。

Fwd=1.4×Fwd,k取6.1Mpa

tj=Fwd×d/2[σ]φ=1.4×Fwd,k×d/2[σ]φ取2.7mm

t=tj+2.5取5.2mm，考虑适当富裕，壁厚取8mm，内径98mm，外径114mm。

2．压力管设计内水压力计算

2.1设计内水压力标准值与静水压力标准值的关系

《给排水工程管道结构设计规范》中规定：压力管道内的静水压力标准值应取设计内水压力标准值Fwd,k计算,钢管压力管管道内的设计内水压力标准值=工作压力+0.5≥0.9Mpa；《给排水管道工程施工及验收规范》中规定：钢管实验压力=工作压力+0.5，且不小于0.9Mpa，即实验压力=设计内水压力标准值=静水压力标准值。《给水排水工程结构设计手册》中8.2埋地给排水管道结构上的作用中，作用在输水压力管道环向的静水压力为管道系统正常输水工作状态下的作用在管内壁的最大长期运行的工作压力（workingpressure）即扬程，再加上管内水流速度变化所产生的水锤压力（waterhammer）即ΔH。

2.2静水压力标准值的确定

水泵扬程H=418m(山顶水库高程)-165m（灵堂2#水池最低液位）+50m(山顶部队预留富余水头)+13.75m(管道水损)=316.75m。取350m即3.5Mpa

4.7部分节点大样如下所示：

三、工程体会

本工程管线改造长度2.3公里，景区高差大使得设计内水压力大，采用无缝钢管刚性连接，接口形式焊接，焊接强度为310Mpa。柔性接口的给水管道支墩图集无法参照，通过对水平、垂直向上及垂直向下弯管角度对应支墩抗推力稳定验算可以得出以下结论：

1.等管径壁厚等内压同土质的情况下，随着弯管角度的增加，弯管支墩滑动平面上摩擦力标准值、被动土压力、主动土压力减少，支墩截面尺寸变大；

2.等管径壁厚等内压等弯管角度同土质的情况下：

2.1考虑水浮力作用，弯管支墩滑动平面上摩擦力标准值减少，支墩截面尺寸变大；

2.2同尺寸支墩，垂直向下弯管支墩满足稳定要求，则垂直向上弯管支墩也满足稳定要求；满足稳定要求时，垂直向上弯管支墩尺寸小于垂直向下弯管支墩尺寸。

参考文献

[1]《地下管设计》(美)A.P莫泽著赵西安，机械工业出版社2003-06

[2]《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》GBT50451-2017

[3]《给水排水工程管道结构设计规范》GB50332-2002

[4]《给水排水管道工程施工及验收规范》GB50268-2008

[5]《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》CECS141：2002