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(qū)，油氣管道與黃灌溝渠交叉穿越的情況十分普遍。據(jù)統(tǒng)計，僅長慶輸油氣分公司管理運營的寧夏境內(nèi)80km輸油管道就與526條黃灌溝渠交叉穿越，此外每年還會有50~70條新開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，見圖1、圖2。同時，大部分伴行通訊光纜未與管道同溝敷設(shè)，有光纜偏移現(xiàn)象。

圖1（a） 管道穿越農(nóng)田平面圖

圖1（b） 管道穿越農(nóng)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

對灌溉溝渠進行清理時，先由挖掘機將排堿渠內(nèi)的淤泥和雜草清理干凈，然后進行人工修整。新開溝渠主要由挖掘機開挖和修整邊坡。機械挖掘作業(yè)時間集中、數(shù)量大、速度快，給管道及其附屬設(shè)施帶來很大安全風(fēng)險，曾經(jīng)發(fā)生過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(nóng)田，泄漏油品還會沿著排堿渠匯入黃河，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的重點來防控，投入大量人力、物力進行現(xiàn)場監(jiān)護，向機械手和農(nóng)民進行管道保護宣傳，并將管道兩側(cè)各5米范圍內(nèi)用警示帶隔離。但這些管理措施會在一定程度上阻滯排堿渠清淤和修整作業(yè)，降低農(nóng)田的排堿效果，農(nóng)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)經(jīng)驗，采取了在管道穿越溝渠處敷設(shè)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(jù)標(biāo)準排堿渠尺寸及管道穿越長度，參考混凝土及結(jié)構(gòu)設(shè)計要求^[1,2]，預(yù)制鋼筋砼空心板選取尺寸為：長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，見圖3。由于排堿溝大都位于黃灌區(qū)內(nèi)，地下水位較淺，需要在每道排堿溝渠底管道中心線兩側(cè)各0.75m外用500mm厚的干插毛石處理承載力不足的問題^[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(yù)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(yù)制鋼筋砼空心板接觸時間為2~10s，取保守值2s，計算得出P_K=8kN。

                                      

由于管道中心線兩側(cè)0.75m范圍內(nèi)無干插毛石，故鋼筋砼空心板可簡化為簡支梁模型，跨度（l）為1.5m，見圖4。最大彎矩（M，單位kN.m）可按式（2）計算^[4]。

圖4 簡支梁模型圖

 

                  （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(yù)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(qū)高度，單位mm；a_s′是受壓鋼筋合力作用點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，因此滿足使用要求。

                               

2.1.3 基礎(chǔ)承載力計算

預(yù)制鋼筋砼空心板安裝鋪設(shè)的平面見圖5�；�礎(chǔ)承載力（f，單位kPa）可以按式（4）計算^[3,9]。

             （4）  

式中，N是上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力設(shè)計值，單位kN；G是基礎(chǔ)自重設(shè)計值加基礎(chǔ)上方土重標(biāo)準值，單位kN；r是基礎(chǔ)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覆土，因此G 取0kN^[10]；只有上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力分散在兩側(cè)干插毛石基礎(chǔ)上，每一側(cè)干插毛石基礎(chǔ)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(chǔ)承載力f≥18kPa。寧夏黃灌區(qū)為濕陷性黃土地區(qū)，地基最低承載力f為80kPa^[9]，所以滿足地基承載力要求。因此，干插毛石的厚度取最低標(biāo)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(jié)構(gòu)設(shè)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，實踐中鋼筋砼U型板可簡化為固接模型圖，跨度（l）為0.5m，見圖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(qū)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(qū)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(qū)高度x按照式（7）計算^[6]。

                      （7）

            

式中，a₁是砼分項系數(shù)，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(jù)式（7）求得的砼受壓區(qū)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型板進行了試驗，見圖8。試驗選取160KN的反鏟式挖掘機對鋼筋砼U型板進行強力挖掘破壞，試驗構(gòu)件未發(fā)生破損，證明能滿足防護使用要求。

 

圖8 現(xiàn)場試驗照片

2.4 應(yīng)用情況

寧夏地區(qū)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(nóng)田開始春灌，期間可供安裝鋼筋砼板的時間窗口不到1個月。但采用預(yù)制好的鋼筋砼板現(xiàn)場進行裝配，作業(yè)時間能夠滿足，而且施工占地少，可以迅速對管道進行保護。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，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，在實踐中砼空心板應(yīng)用更為廣泛。

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[10] 龍馭球,包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社.2006.206-215. 

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)院土木工程專業(yè)，現(xiàn)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)及工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事管道完整性、風(fēng)險評價專業(yè)方向的研究工作。

《管道保護》2017年第1期（總第32期）