河北省水利工程局 河北石家庄 050000
摘要：HDPE 管道具有重量轻、耐腐蚀、施工便捷、输水能力高、安全可靠等优良性能，被广泛应用于给排水工程中。通过对常用输水管道以及有关管道规程的研究，分析总结超大口径长距离HDPE输水管道的材料选取与壁厚设计规定，并进一步对有关HDPE管的管道设计进行分析，包括水利计算中的压力设计以及结构设计中的强度、抗浮、环向稳定、抗滑、竖向变形等校核计算。本文以某实际工程中干线项目为依据，超大口径长距离HDPE 输水管道在水利工程中的广泛应用。
关键词：超大口径输水管道；HDPE；变形率测试
与传统的钢管、预应力混凝土管、铸铁管等相比，HDPE管道是一种绿色环保新型材料，具有密度低、化学性质稳定、耐腐蚀、绝缘性能好、易于施工和安装、综合成本低等特点。广泛的应用于市政、建筑给排水、农用节水灌溉等领域，对节能减排和环境保护具有重要意义。为推进“四新技术”在工程中的应用，干渠引进高密度聚乙烯管材事宜进行了专题研究，决定选取干渠末端市段作为HDPE 管道施工的试验段。干渠是配套工程的重要组成部分，管线全长168.746 km，采用有压管道输水，地下埋管形式，管道主要采用DN1200～DN2200 输水管道，设计内压0.6～1.0 MPa。干渠的一部分，长为44 km，采用DN1200、DN1400 的HDPE输水管道，输水流量0.85～1.1 m3/s，设计内压0.6 MPa。如此超大口径长距离HDPE 输水管道，由于超大口径长距离HDPE 输水管道的技术标准仍处于空白，在管道铺设回填、管道变形率分析等技术方面没有统一标准。因此，以干线试验段实际情况为依托，对4种不同回填方式的管道变形率进行试验检测，建立4种不同管道回填方式的管道变形有限元模型，并与管道变形率测试结果进行对比分析，最后选取一种节约成本的管道回填方式。
1不同回填方式管道变形测试
1.1回填试验方案设计。根据工程要求，选取700 m 长度的HDPE 管道进行回填，分别采取4 种不同回填方式，每种回填方式长度为100 m。4种不同回填方式如下：
1.2实际测试结果。采用3 m 卷尺，按照4 种不同回填方式，分别选取横断面进行不同回填高度的HDPE 管道变形率测试。回填至管顶50 cm 时，不同回填方式竖直方向对应的HDPE 管道变形率见表。
2管道变形有限元模型
2.1模型建立
（1）基本假定。在对管道受力变形进行模拟时，对模型作如下假定[1]：①管线纵向足够长，三维空间问题可以转化为二维平面问题，按照平面应变问题处理，选取管道铺设标准横断面作为研究对象，建立相关模型；②HDPE 管道埋在地下之后，管道处于恒温，不考虑温度对管道受力变形的影响，管道埋地一段时间后，弹性模量的时间相关性减弱，模型中把HDPE 管道简化成弹性材料进行受力分析；③回填过程中，相同土质类型并且具有相同压实度或相对密度设计要求的土体视为同一材料处理，沟槽两侧和底部原土视为同一材料处理，相关参数率定取检测结果的平均值。
（2）几何建模。采用管道和土体的二维模型进行计算，以干线试验段为依托，选取DN1400 HDPE 管道铺设标准横断面，桩号N0+000～N15+300，岩性组合特征为砂性土、黏性土多层结构，开挖边坡1∶1.25，管底铺设150 mm 的中粗砂垫层，相对密度不小于0.7；管底180°范围内，回填中粗砂，相对密度不小于0.7；管底180°范围以上至管顶范围原土回填，压实度不小于0.95；管顶至管顶以上0.5 m 范围内原土回填，压实度不小于0.90，根据管道铺设标准横断面及施工工序，建立几何模型。
（3）材料定义。有限元采用材料表方式管理模型中材料定义。回填土体和原土体材料选用摩尔-库仑材料模拟，表征该材料属性的参数有：弹性模量E、泊松比ν、密度ρ、内摩擦角φ、黏聚力c、拉伸截止极限、膨胀角。HDPE 管道用线弹性材料模拟，表征该材料属性的参数有：弹性模量E、泊松比ν、密度ρ、膨胀系数等，材料参数公司提供：管材公称外径为1400mm、壁厚为53.5mm、弹性模量为350 MPa、泊松比为0.45、密度为950 kg/m3，其中，管道弹性模量值为承受荷载100 h 左右对应的弹性模量。
（4）边界条件定义。模型的建立选择Y-Translation、Z-Translation 两个自由度。通过控制节点在y，z 方向的“固定”或“自由”来定义边界条件。该过程是通过定义透水边界来实现的，当土体透水时，定义为透水边界，否则为不透水边界。
（5）单元组定义。模型的土体单元定义为2D-Solid，管单元定义为Pipe，单元子类型均为平面应变。
（6）网格面单元划分。对管道回填模型网格进行划分，标准横断面计算模型的网格密度控制和划分。
2.2模型计算结果分析
根据管道4种不同回填方式建立有限元分析模型，对管道变形率进行分析计算。管道有限元模拟结果如下：
（1）全部原土回填至管顶50 cm 时，其底部由于是原土，有一定的粘聚力，所以对管道的挤压作用减小，底部向上的位移减小，而且底部最大作用点向管道中心移动。
（2）管道120°范围内中粗砂回填，管道120°以上至管顶50 cm 原土回填。
（3）中粗砂回填管道半径以下部分，管道半径至管顶50cm 处用原土回填。4 种不同回填方式在管道回填至管顶50 cm 时，竖直方向对应的HDPE 管道变形率模拟结果。测试结果与有限元模型模拟结果对比4 种不同回填方式的管道变形率测试结果与模拟结果对比如表。
从表可知，模拟结果和测试结果均表明，原土回填造成的管道变形率最大，但与采用中粗砂回填相差不大。检测结果具有一定的偶然误差，管道变形率为0.77％～1.16％，模拟结果变形率更加集中，为0.93％～0.97％，但都满足施工及验收规范允许变形率3％的要求。从经济的角度出发，可以就地取材，采用原土回填，以达到节约成本的目的。
结论
1、超大口径HDPE 输水管道4 种回填方式的管道变形率测试结果表明，管道变形率为0.77%～1.16%，均符合GB50268—2008 规定的管道竖直方向允许变形率3%的要求。
2、通过对4 种不同回填方式管道变形进行有限元模型分析、模拟结果表明，管道竖直方向变形率为0.93%～0.97%，均符合允许变形率3%的要求。
3、4 种不同回填方式管道变形测试结果与模型结果相比，全部原状土回填方式与其余3 种方式相差不大，从施工成本和就地取材等方面考虑，选取全部原状土代替中粗砂回填进行管道施工。
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论文作者:卢玉超
论文发表刊物:《防护工程》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/7
标签：管道论文; 模型论文; 方式论文; 弹性模量论文; 材料论文; 横断面论文; 口径论文; 《防护工程》2017年第30期论文;