趙  帥¹ 馮文興² 荊燁楨¹ 趙云雅³

1.中國石油管道公司長(cháng)慶輸油氣分公司；2.中國石油管道公司管道完整性管理中心；3.中國石油管道公司呼和浩特輸油氣分公司

在寧夏黃灌區，油氣管道與黃灌溝渠交叉穿越的情況十分普遍。據統計，僅長(cháng)慶輸油氣分公司管理運營(yíng)的寧夏境內80km輸油管道就與526條黃灌溝渠交叉穿越，此外每年還會(huì )有50~70條新開(kāi)溝渠與管道形成交叉。在交叉穿越處，管道頂部距排堿溝溝底0~1.5m，約60%的管道埋深不足0.5m，見(jiàn)圖1、圖2。同時(shí)，大部分伴行通訊光纜未與管道同溝敷設，有光纜偏移現象。

圖1（a） 管道穿越農田平面圖

圖1（b） 管道穿越農田剖面圖

圖2 排堿渠與管道位置關(guān)系剖面圖

1 對輸油管道的影響

對灌溉溝渠進(jìn)行清理時(shí)，先由挖掘機將排堿渠內的淤泥和雜草清理干凈，然后進(jìn)行人工修整。新開(kāi)溝渠主要由挖掘機開(kāi)挖和修整邊坡。機械挖掘作業(yè)時(shí)間集中、數量大、速度快，給管道及其附屬設施帶來(lái)很大安全風(fēng)險，曾經(jīng)發(fā)生過(guò)因清渠造成管道伴行光纜被挖斷的事件。一旦輸油管道被損壞泄漏，不僅污染農田，泄漏油品還會(huì )沿著(zhù)排堿渠匯入黃河，引發(fā)嚴重的環(huán)境污染事故。

為此，管道企業(yè)將排堿渠清淤及新建作為第三方施工活動(dòng)的重點(diǎn)來(lái)防控，投入大量人力、物力進(jìn)行現場(chǎng)監護，向機械手和農民進(jìn)行管道保護宣傳，并將管道兩側各5米范圍內用警示帶隔離。但這些管理措施會(huì )在一定程度上阻滯排堿渠清淤和修整作業(yè)，降低農田的排堿效果，農民的抵觸情緒較高。

2  采取的防護措施

管道企業(yè)在綜合考慮管道安全和方便農業(yè)生產(chǎn)的基礎上，借鑒國內經(jīng)驗，采取了在管道穿越溝渠處敷設安裝鋼筋砼空心板和鋼筋砼U型板兩種工程防護措施。

2.1 鋼筋砼空心板

根據標準排堿渠尺寸及管道穿越長(cháng)度，參考混凝土及結構設計要求^[1,2]，預制鋼筋砼空心板選取尺寸為：長(cháng)3000mm×寬600mm×厚120mm，砼強度等級為C30，砼鋼筋保護層厚度為20mm，鋼筋取一級鋼Φ8，見(jiàn)圖3。由于排堿溝大都位于黃灌區內，地下水位較淺，需要在每道排堿溝渠底管道中心線(xiàn)兩側各0.75m外用500mm厚的干插毛石處理承載力不足的問(wèn)題^[3]。

圖3 鋼筋砼空心板剖面圖

 

2.1.1 挖掘機作用在鋼筋砼空心板上的受彎計算

挖掘機碰觸到預制鋼筋砼空心板為偶然撞擊荷載（P_K，單位kN），可按式（1）計算^[4]。

                    （1）

式中，m是挖力，單位kN；v是下放速度，單位m/s；t是接觸時(shí)間，單位s。一般挖掘機的挖力大小為80~160kN，m取較大值160kN^[5]。挖斗運行下放速度v取1m/s，挖斗與預制鋼筋砼空心板接觸時(shí)間為2~10s，取保守值2s，計算得出P_K=8kN。

                                      

由于管道中心線(xiàn)兩側0.75m范圍內無(wú)干插毛石，故鋼筋砼空心板可簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型，跨度（l）為1.5m，見(jiàn)圖4。最大彎矩（M，單位kN.m）可按式（2）計算^[4]。

圖4 簡(jiǎn)支梁模型圖

 

                  （2）

  

式中，l是跨度，單位m，計算得出最大彎矩M=3kN.m。

 

2.1.2 預制鋼筋砼空心板抗彎計算

鋼筋砼空心板能承受的最大彎矩（M_max，單位kN. m）可按式（3）計算^[6]。

                 （3）  

式中，f_y是一級鋼Φ8的屈服強度，單位N/mm²；A_s是受力鋼筋截面面積，單位mm²；h₀是鋼筋砼空心板截面有效受壓區高度，單位mm；a_s′是受壓鋼筋合力作用點(diǎn)到砼空心板受壓邊緣距離，單位mm。f_y取270 N/mm²；單根鋼筋的A_s取50.3 mm²；h₀取100mm；a_s′取20mm^[7,8]，計算得出鋼筋砼空心板能承受的最大彎矩M_max=6.52kN. m，大于挖掘機施加的最大彎矩M=3kN. m，因此滿(mǎn)足使用要求。

                               

2.1.3 基礎承載力計算

預制鋼筋砼空心板安裝鋪設的平面見(jiàn)圖5�；�礎承載力（f，單位kPa）可以按式（4）計算^[3,9]。

             （4）  

式中，N是上部結構傳至基礎頂面的豎向力設計值，單位kN；G是基礎自重設計值加基礎上方土重標準值，單位kN；r是基礎及回填土的平均重度值，單位kN/ mm³；A是干插毛石的表面積，單位m²；d是干插毛石厚度，單位m。由于干插毛石上方無(wú)覆土，因此G 取0kN^[10]；只有上部結構傳至基礎頂面的豎向力分散在兩側干插毛石基礎上，每一側干插毛石基礎受力為N+G= N =1/2 P_K =4kN。r取20 kN/ mm³，干插毛石表面積A取0.45m²，干插毛石厚度d取0.5m，計算得出基礎承載力f≥18kPa。寧夏黃灌區為濕陷性黃土地區，地基最低承載力f為80kPa^[9]，所以滿(mǎn)足地基承載力要求。因此，干插毛石的厚度取最低標準值0.5m。

圖5 干插毛石及鋼筋砼樓板平面圖

                                 

2.2 鋼筋砼U型板

參考混凝土及結構設計要求^[1,2]，鋼筋砼U型板選取尺寸為750mm×500mm×100mm，砼鋼筋保護層厚度為30mm，砼強度等級采用C25，鋼筋取一級鋼Φ8，見(jiàn)圖6。

圖6 鋼筋砼U型板

2.2.1 挖掘機作用在鋼筋砼U型板上的受彎計算

鋼筋砼U型板所受外荷載力P_K仍為8kN，實(shí)踐中鋼筋砼U型板可簡(jiǎn)化為固接模型圖，跨度（l）為0.5m，見(jiàn)圖7。最大彎矩（M，單位kN.m）可按式（5）計算^[4]。

               （5）      

式中，l是跨度，單位m，計算得出最大彎矩M=0.5kN.m。

 

圖7 固接模型圖

                                                                

2.2.2鋼筋砼U型板抗彎計算

鋼筋砼板能承受的最大彎矩（M_max，單位kN. m）可按式（6）計算^[6]。

           （6）

式中，x是砼受壓區高度，單位mm；f_y是一級鋼Φ8的屈服強度，單位N/mm²；A_s是受力鋼筋截面面積，單位mm²；h₀是鋼筋砼空心板截面有效受壓區高度，單位mm；,f_y取為270 N/mm²；單根鋼筋的A_s取50.3 mm²；h₀取45mm^[7,8]。

                              

砼受壓區高度x按照式（7）計算^[6]。

                      （7）

            

式中，a₁是砼分項系數，f_c是砼抗壓強度，單位N/mm²；b是鋼筋砼U型板跨度，單位mm；f_y是一級鋼Φ8的屈服強度，單位N/mm²；A_s是受力鋼筋截面面積，單位mm²；a₁取1；f_c取11.9N/mm²；b取500mm；f_y取270 N/mm²；A_s取50.3 mm^2[7,8]；計算得出x=11.41mm。

                              

最后，根據式（7）求得的砼受壓區高度x計算得出公式（6）中的U型板能承受的最大彎矩M_max=2.716kN.m，大于挖掘機施加的最大彎矩M=0.5kN.m，滿(mǎn)足使用要求。

2.3 鋼筋砼U型板試驗

為驗證兩種鋼筋砼板的效果，選取了能承受最大彎矩較小的鋼筋砼U型板進(jìn)行了試驗，見(jiàn)圖8。試驗選取160KN的反鏟式挖掘機對鋼筋砼U型板進(jìn)行強力挖掘破壞，試驗構件未發(fā)生破損，證明能滿(mǎn)足防護使用要求。

 

圖8 現場(chǎng)試驗照片

2.4 應用情況

寧夏地區3月中旬平均氣溫才達到最低允許施工溫度5℃以上，至4月中旬農田開(kāi)始春灌，期間可供安裝鋼筋砼板的時(shí)間窗口不到1個(gè)月。但采用預制好的鋼筋砼板現場(chǎng)進(jìn)行裝配，作業(yè)時(shí)間能夠滿(mǎn)足，而且施工占地少，可以迅速對管道進(jìn)行保護。從保護效果看，砼空心板和U型板都能夠起到很好的保護效果。不過(guò)，砼空心板采購、運輸方便，且力學(xué)計算的承受荷載的能力高于U型板，而U型板的制作較繁瑣且不便運輸，因此，在實(shí)踐中砼空心板應用更為廣泛。

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作者：趙帥，男，助理工程師，1986生，2011年畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院土木工程專(zhuān)業(yè)，現主要從管道保護、管道工程工作。馮文興，男，高級工程師，1979生，2007年博士學(xué)位畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全技術(shù)及工程專(zhuān)業(yè)，現主要從事管道完整性、風(fēng)險評價(jià)專(zhuān)業(yè)方向的研究工作。

《管道保護》2017年第1期（總第32期）