宁夏灌渠清淤和新建对管道的影响及防护
来源：《管道保护》杂志 作者：赵帅 冯文兴 荆烨桢 赵云雅 时间：2018-7-10 阅读：
赵 帅1 冯文兴2 荆烨桢1 赵云雅3
1.中国石油管道公司长庆输油气分公司；2.中国石油管道公司管道完整性管理中心；3.中国石油管道公司呼和浩特输油气分公司
在宁夏黄灌区，油气管道与黄灌沟渠交叉穿越的情况十分普遍。据统计，仅长庆输油气分公司管理运营的宁夏境内80km输油管道就与526条黄灌沟渠交叉穿越，此外每年还会有50~70条新开沟渠与管道形成交叉。在交叉穿越处，管道顶部距排碱沟沟底0~1.5m，约60%的管道埋深不足0.5m，见图1、图2。同时，大部分伴行通讯光缆未与管道同沟敷设，有光缆偏移现象。
图1（a） 管道穿越农田平面图
图1（b） 管道穿越农田剖面图
图2 排碱渠与管道位置关系剖面图
1 对输油管道的影响
对灌溉沟渠进行清理时，先由挖掘机将排碱渠内的淤泥和杂草清理干净，然后进行人工修整。新开沟渠主要由挖掘机开挖和修整边坡。机械挖掘作业时间集中、数量大、速度快，给管道及其附属设施带来很大安全风险，曾经发生过因清渠造成管道伴行光缆被挖断的事件。一旦输油管道被损坏泄漏，不仅污染农田，泄漏油品还会沿着排碱渠汇入黄河，引发严重的环境污染事故。
为此，管道企业将排碱渠清淤及新建作为第三方施工活动的重点来防控，投入大量人力、物力进行现场监护，向机械手和农民进行管道保护宣传，并将管道两侧各5米范围内用警示带隔离。但这些管理措施会在一定程度上阻滞排碱渠清淤和修整作业，降低农田的排碱效果，农民的抵触情绪较高。
2 采取的防护措施
管道企业在综合考虑管道安全和方便农业生产的基础上，借鉴国内经验，采取了在管道穿越沟渠处敷设安装钢筋砼空心板和钢筋砼U型板两种工程防护措施。
2.1 钢筋砼空心板
根据标准排碱渠尺寸及管道穿越长度，参考混凝土及结构设计要求[1,2]，预制钢筋砼空心板选取尺寸为：长3000mm×宽600mm×厚120mm，砼强度等级为C30，砼钢筋保护层厚度为20mm，钢筋取一级钢Φ8，见图3。由于排碱沟大都位于黄灌区内，地下水位较浅，需要在每道排碱沟渠底管道中心线两侧各0.75m外用500mm厚的干插毛石处理承载力不足的问题[3]。
图3 钢筋砼空心板剖面图
2.1.1 挖掘机作用在钢筋砼空心板上的受弯计算
挖掘机碰触到预制钢筋砼空心板为偶然撞击荷载（PK，单位kN），可按式（1）计算[4]。
（1）
式中，m是挖力，单位kN；v是下放速度，单位m/s；t是接触时间，单位s。一般挖掘机的挖力大小为80~160kN，m取较大值160kN[5]。挖斗运行下放速度v取1m/s，挖斗与预制钢筋砼空心板接触时间为2~10s，取保守值2s，计算得出PK=8kN。
由于管道中心线两侧0.75m范围内无干插毛石，故钢筋砼空心板可简化为简支梁模型，跨度（l）为1.5m，见图4。最大弯矩（M，单位kN.m）可按式（2）计算[4]。
图4 简支梁模型图
（2）
式中，l是跨度，单位m，计算得出最大弯矩M=3kN.m。
2.1.2 预制钢筋砼空心板抗弯计算
钢筋砼空心板能承受的最大弯矩（Mmax，单位kN. m）可按式（3）计算[6]。
（3）
式中，fy是一级钢Φ8的屈服强度，单位N/mm2；As是受力钢筋截面面积，单位mm2；h0是钢筋砼空心板截面有效受压区高度，单位mm；as′是受压钢筋合力作用点到砼空心板受压边缘距离，单位mm。fy取270 N/mm2；单根钢筋的As取50.3 mm2；h0取100mm；as′取20mm[7,8]，计算得出钢筋砼空心板能承受的最大弯矩Mmax=6.52kN. m，大于挖掘机施加的最大弯矩M=3kN. m，因此满足使用要求。
2.1.3 基础承载力计算
预制钢筋砼空心板安装铺设的平面见图5。基础承载力（f，单位kPa）可以按式（4）计算[3,9]。
（4）
式中，N是上部结构传至基础顶面的竖向力设计值，单位kN；G是基础自重设计值加基础上方土重标准值，单位kN；r是基础及回填土的平均重度值，单位kN/ mm3；A是干插毛石的表面积，单位m2；d是干插毛石厚度，单位m。由于干插毛石上方无覆土，因此G 取0kN[10]；只有上部结构传至基础顶面的竖向力分散在两侧干插毛石基础上，每一侧干插毛石基础受力为N+G= N =1/2 PK =4kN。r取20 kN/ mm3，干插毛石表面积A取0.45m2，干插毛石厚度d取0.5m，计算得出基础承载力f≥18kPa。宁夏黄灌区为湿陷性黄土地区，地基最低承载力f为80kPa[9]，所以满足地基承载力要求。因此，干插毛石的厚度取最低标准值0.5m。
图5 干插毛石及钢筋砼楼板平面图
2.2 钢筋砼U型板
参考混凝土及结构设计要求[1,2]，钢筋砼U型板选取尺寸为750mm×500mm×100mm，砼钢筋保护层厚度为30mm，砼强度等级采用C25，钢筋取一级钢Φ8，见图6。
图6 钢筋砼U型板
2.2.1 挖掘机作用在钢筋砼U型板上的受弯计算
钢筋砼U型板所受外荷载力PK仍为8kN，实践中钢筋砼U型板可简化为固接模型图，跨度（l）为0.5m，见图7。最大弯矩（M，单位kN.m）可按式（5）计算[4]。
（5）
式中，l是跨度，单位m，计算得出最大弯矩M=0.5kN.m。
图7 固接模型图
2.2.2钢筋砼U型板抗弯计算
钢筋砼板能承受的最大弯矩（Mmax，单位kN. m）可按式（6）计算[6]。
（6）
式中，x是砼受压区高度，单位mm；fy是一级钢Φ8的屈服强度，单位N/mm2；As是受力钢筋截面面积，单位mm2；h0是钢筋砼空心板截面有效受压区高度，单位mm；,fy取为270 N/mm2；单根钢筋的As取50.3 mm2；h0取45mm[7,8]。
砼受压区高度x按照式（7）计算[6]。
（7）
式中，a1是砼分项系数，fc是砼抗压强度，单位N/mm2；b是钢筋砼U型板跨度，单位mm；fy是一级钢Φ8的屈服强度，单位N/mm2；As是受力钢筋截面面积，单位mm2；a1取1；fc取11.9N/mm2；b取500mm；fy取270 N/mm2；As取50.3 mm2[7,8]；计算得出x=11.41mm。
最后，根据式（7）求得的砼受压区高度x计算得出公式（6）中的U型板能承受的最大弯矩Mmax=2.716kN.m，大于挖掘机施加的最大弯矩M=0.5kN.m，满足使用要求。
2.3 钢筋砼U型板试验
为验证两种钢筋砼板的效果，选取了能承受最大弯矩较小的钢筋砼U型板进行了试验，见图8。试验选取160KN的反铲式挖掘机对钢筋砼U型板进行强力挖掘破坏，试验构件未发生破损，证明能满足防护使用要求。
图8 现场试验照片
2.4 应用情况
宁夏地区3月中旬平均气温才达到最低允许施工温度5℃以上，至4月中旬农田开始春灌，期间可供安装钢筋砼板的时间窗口不到1个月。但采用预制好的钢筋砼板现场进行装配，作业时间能够满足，而且施工占地少，可以迅速对管道进行保护。从保护效果看，砼空心板和U型板都能够起到很好的保护效果。不过，砼空心板采购、运输方便，且力学计算的承受荷载的能力高于U型板，而U型板的制作较繁琐且不便运输，因此，在实践中砼空心板应用更为广泛。
[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. GB50068-2001.建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.
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[9]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50007-2011.建筑地基基础设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.
[10] 龙驭球,包世华.结构力学[M].北京:高等教育出版社.2006.206-215.
作者：赵帅，男，助理工程师，1986生，2011年毕业于黑龙江科技学院土木工程专业，现主要从管道保护、管道工程工作。冯文兴，男，高级工程师，1979生，2007年博士学位毕业于中国科学技术大学安全技术及工程专业，现主要从事管道完整性、风险评价专业方向的研究工作。
《管道保护》2017年第1期（总第32期）
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