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輸水管道浮管事故發生的原因與對策
發布時間:2017-06-15

摘要

  1、工程概況

  莆田金鐘水利樞紐引水配套工程是將莆田仙游西北部金鐘水庫及雙溪口水庫水源引向莆田市東南部及仙游縣中南部水資源短缺地區的調水工程。設計引水規模 36.37 萬 t/d(4.21m3/s)。輸水系統總長 89.1km,按受水區劃分為一條輸水干線和兩條支線。輸水干線管徑 DN1800,長 12.94km;兩條支線包括 DN1000 莆田支線長 24.75km 及 DN1400媽祖支線長 51.41km。主管材采用預應力鋼筒混凝土管(PCCP)。工程于 2015 年 4 月 24 日建成通水。輸水干管 G2 標施工期在樁號 G4+108~G4+272長 164m 發生浮管事故。

  2、輸水干管浮管段工程地質條件

  2.1、水文地質

  本施工段丘陵區管線地下水主要賦存于殘積砂質粘性土或風化巖中的孔隙或裂隙水,勘探期間地下水穩定水位埋深一般為 1.45~8.5m,地下水位隨地形而變化。沖洪積平原管線地下水主要為賦存于第四紀地層中(③-4 中砂及④-3 卵石)的孔隙潛水(局部具承壓性質),勘探期間地下水穩定水位埋深為 0.5~2.9m,地下水穩定水位變化小。地下水主要接受大氣降水的下滲補給并向低處排泄。

  2.2、管槽邊坡穩定性評價

  坡殘積土段:管槽槽壁土層主要為粉質粘土③-2、粉質粘土⑤和殘積砂質粘性土⑥,且地下水位埋深一般較大,管槽邊坡穩定性較好。但由于殘積砂質粘性土具有浸水易崩解、易軟化等特性,雨季施工應避免管道基槽積水浸泡或采用預留保護層法施工,及時封底覆蓋,并作好管道基槽邊坡坡面排水與防護工作。

  3、管道埋設要求

  由于本工程管材采用 PCCP 管,6m/節,14t/節,管材重量大,對接口變形控制要求較高,砼管道墊層采用 1:2 砂碎石墊層,厚度 200mm。在弱風化基巖與其他土層接觸處采用褥墊進行處理,以防產生不均勻沉降。管區回填土應夯實,夯實應從溝槽壁兩側同時開始,嚴禁單側夯實。管區回填料的壓實度應不小于 95%。回填土首選原溝槽土料,土料中最大粒徑不應超過 13mm。管頂以上最小覆土高度為0.80m,最大覆土厚度為 3.0m。

  4、浮管事故分析

  4.1、輸水管道浮管事故的發生過程

  輸水干線DN1800在樁號G4+108~G4+272共27節,中間高點 G4+200 一節為鋼管 8m 作為預留安裝排氣閥,管中心高程為 55.51,線路兩端高程稍低。PCCP 管道安裝完成,每節管接頭試壓合格,按施工及驗收規范管身覆土至管頂 0.5m(施工單位無夯實),露出管接頭部位。

  因施工期 2011 年 6 月正處于臺風季節,汛期降雨量較大,施工排水不夠及時,已鋪管溝槽全部積水淹沒,管道內外水位形成外高內低;在排氣閥井位置已開挖尚未澆筑鋼筋混凝土井位淹沒,鋼管因毫無壓載率先上浮;排氣鋼管上浮帶動兩端 PCCP管松動相繼上浮,管身回填土方和 PCCP 管頂履土被雨水沖刷軟化液化流入管底,造成鋼管上浮最高約 1.5m,臨近的 PCCP 管上浮量漸小,全段管線上浮變形移位、接口砂漿開裂脫落,已安裝的管道接口不同程度間隙變大。當發現管道漂浮后采取降排水措施已于事無補。鋼管與 PCCP 管接頭完全脫節。本段 164m 已鋪裝管道全部返工,有 8 節 PCCP 管因承插接頭破損嚴重而報廢。

  4.2、輸水管道浮管事故原因分析

  根據浮力產生的原理:浸入液體中的物體受到向上的浮力,浮力的大小等于物體排開的液體受到的重力。管道的上浮力等于管道排開水體重量減去管道、履土和管內水體的重量。假設鋼管內無水,通過列表計算單節管開始上浮時的水位。

表 1 單節管開始上浮時的水位計算表
 表 1 單節管開始上浮時的水位計算表 

  從表中可見,PCCP 管和鋼管不會同時上浮,當鋼管水位(距離管底)超過 0.72m 就會開始產生漂浮;水位繼續上漲,浮力向兩端的 PCCP 管傳遞,PCCP 管所受浮力也相應同時加大,當水位達到1.26m 就會使鋼管連同兩端 PCCP 管一起漂浮。埋鋼管經過地下水豐富地區一般采用 360 度混凝土包管處理。事故中鋼管如果已經澆筑鋼筋混凝土閥井就不會發生漂浮,否則管頂應覆土厚 1.4m,PCCP 管管頂應覆土厚 0.42m 才不會發生浮管。

圖 1 管道橫斷面圖

圖 1 管道橫斷面圖 

  大口徑管道施工浮管事故還存在以下因素:

  (1)季節原因,防洪防汛措施不到位。雨期沒有考慮采取防止管道漂浮的措施。

  (2)覆土沒有按設計要求分層夯實。

  (3)安全意識薄弱,防范水害施工經驗不足。

  (4)施工工序安排不合理。排氣井位開挖并且鋼管安裝完畢后,后續鋼筋混凝土閥井基座墊層處理、鋼筋布置、模板安裝、澆筑井壁混凝土工序沒有及時安排施工。

  5、浮管事故的防范措施

  5.1、防止浮管事故的原則

  根據施工場地地形、水文地質條件、施工條件、環境影響和季節因素,合理安排施工組織設計,重點做好降排水措施。

  5.2、管槽降排水措施

  (1)排水方式主要有明溝排水和人工降低地下水兩種途徑。明溝排水的適用條件:黏性土、砂土、碎石土的地層;巖基或粒徑較粗、滲透系數較大的砂卵石地層;地下水位超出基礎底板標高不大于 2m。溝槽外側應采取截水溝、明溝排水措施;溝槽底一側預先開挖排水溝,匯水集中后用水泵抽排。人工降低地下水的方法:在基坑周圍鉆設一些管井,將地下水匯集于井中抽出。分為管井降水法和輕型井點降水法。排水井應在地下水位以下的土方開挖以前建成。井點降水應使地下水位降至基坑底面以下不小于 0.5m,軟土地基的水位降低深度宜適當加大。

  (2)降排水設備選擇,一般常用潛水泵和離心式水泵。依據現場情況選擇適合的揚程與流量,不盲目選用大型水泵。離心式水泵選用帶汽柴油機或電動機,移動靈活。直接與電動機座連接的離心式水泵,現場要有匹配的電源。水泵臺數考慮一定數量備用泵。

  (3)對已完工管道加強巡視。當不具備抗浮條件時,嚴禁停止排水。管井或井點終止抽水后,降水井及拔除井點管所留的孔洞,應及時用砂石等填實;地下水靜水位以上部分,可采用黏土填實。

  5.3、選擇枯水期施工

  易發生浮管的部位,施工組織設計宜選擇枯水季節施工。在浮管事故隱患地段,采取快速施工,盡快覆土回填夯實,消除管槽積水隱患。井位開挖并且鋼管安裝完畢后,按照鋼筋混凝土閥井施工工藝流程同步進行閥井澆筑。這是浮管最容易發生的節點,閥井施工后也可節省基坑抽排水費用。

  倒虹吸管道焊接完成后可管內充水壓載,管外按設計要求采用埋塊石混凝土 360 度包管,機械設備現場平整后轉移工地。

  5.4、做好防汛預案

  汛期做好防洪度汛預案,對可能發生浮管、滑坡泥石流重點防汛部位有應對措施。設立專人值班,及時掌握地區天氣預報情況,以便做好防洪、度汛、抗災、搶險工作。

  6、浮管事故防范案例

  DN1800 輸水干線 G2 標是金鐘水利樞紐引水配套工程最先招標施工,建設單位及時組織分析浮管事故原因,總結施工經驗教訓。在 G2 標管線穿過仙榜路后,過木蘭溪倒虹吸管段地下水位較高,地下水較豐富,根據設計施工圖及現場實際情況,一期圍堰圍右岸,縱向圍堰軸線離岸邊 108m,左岸河床導流,管道安裝完成后。二期圍堰圍左岸,縱向圍堰軸線離岸邊 100m,拆除一期圍堰,右岸河床導流。為防止浮管事故再次發生,采取了防范措施:

  (1)施工時段選擇枯水季節。項目部制定詳細施工方案,重視排水措施,每一工序專人負責。(2)提前做好施工班組人員安排和技術交底、電力線路接引、施工便道、機械設備入場等工作。(3)分期圍堰在汛期過后開始填筑,圍堰高 1.4~4.6 m,圍堰中部為土體,分層填筑并夯壓密實,兩側邊坡采用挖掘機拍實,并刷成 1:1 的坡率;圍堰兩側采用人工堆碼麻袋填土,防止溪水滲過圍堰。(4)采用6臺DN100潛水泵與5臺汽油機離心泵組合排水。(5)倒虹吸管地質屬砂卵石地層,圍堰內采取明溝排水,管槽開挖到位后在槽內側低點位置挖一集水井,潛水泵不間斷排水。(6)管基混凝土墊層處理與鋼管下管拼接安裝和混凝土 360 度包管按計劃連續施工,包管起到抗浮和保護作用。(7)包管拆模后及時回填管槽,施工二期圍堰。

  施工過程十分注重降排水工作,為后續施工創造良好干地條件,而且為防范浮管取得非常好的效果。

  7、結 語

  大口徑輸水管道施工浮管事故造成的損失巨大,對后續各標段施工起到巨大的警示教育作用,在管道施工過程要密切關注暴雨強降水和地下各種來水影響,提前做好排水措施。汛期關注天氣預報,做好防洪度汛預案,有浮管隱患部位加強施工安全管理。針對各種不同地質條件采用不同的降排水手段,防止管槽積水和浮管事故的發生,確保施工安全,避免發生不必要的損失。

  參考文獻:
  [1] GB50268-2008 給水排水管道工程施工及驗收規范 [S].
  [2] GB50141-2008 給水排水構筑物工程施工及驗收規范 [S].
  [3] 莆田金鐘水利樞紐引水配套工程初步設計報告(審定版)[R].
  [4] 水利水電工程管理與實務,全國一級建造師執業資格考試用書(第四版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2015.05.

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