淺析影響地下管道系統設計的因素

賀彩麗

[摘要]：介紹了埋地管道設計工作中要注意的制約因素。并詳細闡述了這些制約因素對地下管道的影響。

[關鍵詞]：地下管荷載因素

一、概述

今天，地下管道被廣泛應用于各種工程，如污水管、雨水管、給水管、煤氣管、電話、電力、涵管等。工程師和規劃師們也認識到地下基礎設施對現代社會是絕對必需的。確實，我們現在所有的工程都必須“先地下”、“后地上”。而作為隱蔽工程的地下管道系統必須設計得可以長期使用，一般設計壽命應當是最少50年，但是，政府在50年內一般也沒有能力來置換所有全部地下管道基礎設施，所以現在的設計應當考慮至少100年的設計壽命。那影響地下管道使用壽命的評價因素就是設計工程師的責任了。

二、影響地下管道的因素

管道材料制造商保證其產品沒有缺陷的前提下，土壓力［1］、縱向荷載、活荷載、土壤沉降、升溫荷載［1］、地震荷載、冰凍荷載、膨脹土引起的荷載、上浮、土壤承載、內部真空、施工安裝等都是影響地下管道的使用壽命的因素。而施工安裝在相應專業的設計規范和地方規程中都有詳細的規定，這里就不做闡述。而對其前面幾個因素，在實際工程中一貫被忽視，但對于整個城市管道規劃又極其重要，淺析如下：

1. 土壓力

地下管道任務確定后設計工程師往往要沿著選定管線作一次土壤調查，確定是否需要用外來土置換管道四周土壤，土壤的參數如土壤種類、土壤密度、土壤勁性（模數）[1]等設計中都是要考慮的。施壓在埋地管子上的荷載即土壓力取決于管道結構及周圍土壤的勁性，而高土壤密度將保證高土壤勁性。管子勁性與土壤勁性之比在很大程度上決定施加于管道上的荷載，放置在管道區內的土壤應能保持規定的土壤密度。此外，為消除應力集中，土壤應均勻投放，并圍繞管子夯實。

2. 縱向荷載

一般在地下管道承受豎向土荷載的同時，使管內產生軸向彎曲的還有其他外力，如縱向荷載產生軸向撓曲和彎梁作用力。其產生的主要原因有：（1）不均勻的管座支撐。不均勻墊層可能產生于地基材料不穩定，超挖引起不均勻沉降和不均勻夯實，及底部沖刷，例如土壤受侵蝕，沖入河水，或污水溝漏水等。想要減少這種作用力的影響，可以利用柔性管的優點就是有能力變形，把集中外力躲開。采用柔性接口增強了管道順應這種外力的能力，減低斷裂危險。這些優點，再加上工程優質，安裝正確，既可避免柔性管道受軸向彎曲而遭致失敗。（2）不均勻沉降，管道剛性連接于檢查井或其他結構物，發生不均勻沉降，不僅會引起很大的彎矩，也會引起剪力。當結構物和/或管子彼此相對側向移動時，這些力和彎矩就形成了。所引起的應力在數量上很難求得，只有在設計和施工時，做好對管道和結構物的基礎和墊層；做到消除不均勻沉降或使其降低到最小值。（3）地面移動。某些類土壤（大多數為膨脹土）受含水量的影響，這種土壤隨濕度變化而有季節性的上升和下降。有效的做法就是不使管子直接埋置在這種土壤中。但可能這種鄰近土壤的移動影響管線，通常情況下這種移動是小規模的，但可能大到影響管線的運作。對剛性管為了減輕這種不良影響，采用短管和柔性接口。對柔性管，管子本身的柔性即可適應這種移動。不會在結構上引起破壞。這個因素的影響下，縱向柔度和環向柔度都很重要。

3．活荷載

土壤表層上重荷載的作用，例如公路運輸、鐵路、埋管上得建筑物，常在設計中規定管上最小覆土厚度來控制 ，這樣的規定在相應的給排水、電力、燃氣的管道設計規范中都有詳細的規定。但表層荷載具有沖擊性時，例如車輪在不平整路面上的沖擊，應加上沖擊因數。對于輸氣和輸液管線，通常是采用最小覆土，必要時考慮管道加固。而近代空港設計活荷載都是很大的，在設計跑道下埋管的活荷載時，沖擊因數取1.0，原因是飛機降落時部分荷載被機翼承擔了。對停車場、停機坪等，沖擊因數必須考慮，一般要進行相關資料的調查。

4.土壤沉降

一般在堅實土壤中埋設管道，只要保證土壤沒有變形，土壤的沉降可以不必考慮。當天然土壤存在著潛在可能沉降時，埋設管線要進行分析評價，土壤的移動作用到埋管上時，或是通過土壤的彈簧作用，或直接使管子向梁一樣隨著土壤的高低而變形，考慮其應力或應變。

5.升溫荷載

一般情況下埋管內的介質和周圍土壤的溫度沒有太大差異，在這種情況下，管與土之間沒有或只有很小的膨脹和收縮，就不需要做溫度設計分析，當流體是熱或涼的情況下，管子膨脹受周圍土壤的約束時，就會產生應力，需要通過詳細的計算來考慮溫度引起的具體撓曲應力。

5.地震荷載

是指在某些危險地帶，大規模的地動伴隨著地震對管線可能起巨大破壞作用，這種危險地區原本是高活動發生帶，例如斷層帶，土壤剪切面，或是管子伸進構筑物的過渡段。還有些是地震時土壤液化及埋管上浮。一般，地下管道的破壞率基本上隨著地震烈度(地震加速度幅度)的增高而增大；但場地的影響也非常明顯。1976年唐山地震災損調查和國外其他災損資料表明，一般情況下地下管道平均破壞率在堅硬場地較小，在柔軟場地最重[2]。不均勻場地中的管道，其災損率明顯高于均勻場地。當公稱管徑為75～500mm時，加大管徑可以提高管道的抗震可靠度：當公稱管徑大于500mm時，管徑的增加不會提高管道的抗震能力。柔性接口的災損率明顯低于剛性接口；斷層對通過其埋設管道的影響巨大；管道與附屬設備或建筑物的連接部位因兩者動力特性不同，出現大量破壞。由此，大多數地埋柔性管線可經受住地震。比較柔性的管材結合柔性接頭，能適應地動而免遭破壞。經過地震波的通過（瞬間地面變形）[1]和經過地面的永久變形[1]都是影響地震中埋管是否完整的重要因素，所以工程師在地震多發帶的工程設計中，一定要利用高科技計算機對于管子和土壤的有限元模型進行分析，也要充分考慮到地動所引起的影響，從實際地震中學習知識，最終對埋管進行成本效益的決策。

6.冰凍荷載

是指當冷凍空氣持續若干小時時，淺層濕土即結出冰層或透鏡體[1]。冰凍往下延伸，又有小體積的水結冰。這種凍結使土壤干燥，因為此時水再也不能滿足土壤中的毛細作用。因此，地下水從凍層以下范圍內被毛細作用吸收到較低勢位區。這些水達到動層時也會凍結，這個過程將繼續下去，直到平衡為止。已凍結層下的冰凍所產生的壓力，是由于冰的膨脹。這項膨脹壓力會大大增加埋管上的垂直荷載。但設計人應知道，由于冰脹的延伸，荷載的增加對柔性管即不太明顯，而對于剛性管可能增加荷載。所以設計時應當考慮季節性凍土地區管道埋深和土質狀況。

7.上浮因素

是指埋管一般埋在地下水位以下，深覆土可以防止上浮，但在淺覆土情況中，可能需要用壓塊、重物等防止上浮。管上的鋼筋混凝土鋪裝可以幫助抗浮，壓板必須錨固。如填土為顆粒土且被夯實，則上浮管道必然會抬升土鍥[1]。倘若管子的上浮力超過管重及土鍥有效重時，必須用錨栓來遏止上浮。

三、結論

如今的城市管道規劃承載著百姓的生活質量，幾乎所有的地下管道都是城市正常運作的生命線，所以作為地下管道工程師在設計埋地管道時一定要注意以上諸多外界和內在的制約因素，用工程科學來設計這些管道。

參考文獻

［1］《Watkins,R.K.,and L.R. Anderson》2000

［2］ 李杰.生命線工程抗震基礎理論與應用[M].北京：科學出版社，2005.