CN112229733A - 大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，包括可封堵涵管的两端的堵头以及具有伸缩量的高强拉杆，高强拉杆分别贯穿两个堵头，高强拉杆位于两个堵头外的端部均锁定在与其对应的堵头上；系统还包括用于防止高强拉杆与堵头之间的间隙处渗水的第一止水装置以及用于防止堵头和涵管之间的间隙处渗水的第二止水装置。提供一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统的设计方法，包括自平衡反力的设计、堵头的设计以及止水铜片的设计。本发明通过具有伸缩量的高强拉杆连接两端的堵头，可以实现自平衡，且通过第一止水装置可以消除高强拉杆与堵头之间的间隙，避免渗水；通过设置的第二止水装置可以填充堵头和涵管之间的间隙，防止此处渗水。

Description

大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，具体为一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统及其设计方法。
背景技术
输水线路在穿越沟谷地段时通常采用有压自流输水方式，且输水管道的直径越来越来大，水压越来越高。所谓大尺寸，通常指输水涵管内径达5.1m，最大内水压力超过0.5MPa，这种设计采用预应力混凝土结构。如此大直径高水压的输水管道没有成熟的技术可参考，通常采用压水试验验证设计方案的可靠性。
压水试验中封堵系统的有效性是决定试验成败的关键因素。目前压水试验封堵系统通常在管道两端设置堵头，堵头将水压力传递至隧洞壁或附近具有一定高度的岩土体上。当输水工程采用大尺寸高水压涵管时，堵头将承受巨大的水压力；由于涵管埋深浅，附近的岩土体不足以承担过大的水压力，传统的封堵及传力方案将无法实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统及其设计方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，包括可封堵涵管的两端的堵头以及具有伸缩量的高强拉杆，所述高强拉杆分别贯穿两个所述堵头，所述高强拉杆位于两个所述堵头外的端部均锁定在与其对应的堵头上；所述系统还包括用于防止所述高强拉杆与所述堵头之间的间隙处渗水的第一止水装置以及用于防止所述堵头和所述涵管之间的间隙处渗水的第二止水装置。
进一步，所述第一止水装置包括预埋在所述堵头中的钢管以及设于所述钢管内的防水件。
进一步，所述防水件包括安设在所述钢管内的套管，所述套管内以及所述高强拉杆的外表面均设有螺纹，所述高强拉杆螺纹连接于所述套管内。
进一步，所述套管的外表面具有止水槽，所述止水槽中安设有防水圈。
进一步，所述钢管远离所述堵头的一端连接有大小头，所述大小头填充有第一止水材料。
进一步，所述第二止水装置包括止水铜片，所述止水铜片的两端分别设于所述涵管和所述堵头中，且所述止水铜片的牛鼻子朝向所述堵头。
进一步，所述第二止水装置还包括敷设于所述涵管与所述堵头的缝隙中的缝板。
进一步，所述第二止水装置还包括第二止水材料，所述第二止水材料敷设于所述涵管与所述堵头的转角部位，所述第二止水材料外包覆有波形止水带，所述波形止水带通过压条安装在所述涵管和所述堵头上。
进一步，所述堵头为凸字型结构，凸字型结构的所述堵头的小口径段卡入所述涵管，所述高强拉杆穿过堵头锁定在所述大口径段上。
本发明实施例还提供另一种技术方案：一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统的设计方法，包括自平衡反力的设计、堵头的设计以及止水铜片的设计；
所述自平衡反力的设计具体为：先通过压水试验水头与涵管的内径计算堵头承受的最大水压力，然后选定高强拉杆的直径，依据高强拉杆的材料参数确定压水试验过程中的高强拉杆的最大拉力与最大伸长量；
所述堵头的设计具体为：先依据经验初步设计堵头尺寸，然后将水压力等效为均布荷载，并将高强拉杆的反力等效为集中荷载，采用有限元方法验算堵头的可靠性；
所述止水铜片的设计具体为：先初步估计铜片锚固长度L，堵头与涵管之间缝宽d，并验算止水铜片的锚固强度；然后通过试验确定铜片与混凝土的粘结强度，按照初步估计的锚固长度确定允许锚固力F，
按照公式T＝0.5pπ(R+d)d近似计算铜片所受拉拔力T，其中p为内水压力，R为堵头凸出部位直径；
当F>T时通过验算，F<T时需调整锚固长度；
同时，依据止水铜片的拉伸强度验算止水铜片是否被拉断，
按照公式A＝πRt计算受拉截面积，其中t为止水铜片厚度，则可求得止水铜片允许拉荷载N，
当N>T时通过验算，N<T时需调整调整设计方案，
其中，所述止水铜片的牛鼻子的高度大于所述高强拉杆的最大伸长量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过具有伸缩量的高强拉杆连接两端的堵头，可以实现自平衡，使压水试验过程中产生的水压力由封堵装置自身承担，在没有外部反力的条件下可以实现压水试验的有效封堵，且通过第一止水装置可以填充高强拉杆与堵头之间的间隙，避免渗水。
2、通过设置的第二止水装置可以填充堵头和涵管之间的间隙，允许大尺寸堵头在超高水压条件下发生位移，且堵头位移后仍能保持压水试验体系的密封状态，防止此处渗水。
3、通过理论计算确定自平衡反力系统中的高强拉杆数量、堵头尺寸、止水铜片“牛鼻子”尺寸及锚固长度等关键参数，在科学合理设计的基础上，可以确保封堵系统的有效性，保证大尺寸管道压水试验在高水压情况下成功开展。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统的第一止水装置的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统的第二止水装置的示意图；
附图标记中：1-堵头；2-第二止水装置；3-第一止水装置；4-钢筋；5-锚具；6-检修门；7-止水铜片；8-缝板；90-第一止水材料；91-第二止水材料；10-波形止水带；11-压条；12-膨胀螺栓；13-钢管；14-套管；15-防水圈；16-生胶带；17-橡胶止水带；18-钢板；19-橡胶垫片；20-大小头；21-止水槽；a-管壁。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1、图2和图3，本发明实施例提供一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，包括可封堵于涵管的两端的堵头1以及具有伸缩量的高强拉杆，所述高强拉杆两端分别贯穿两个所述堵头1，所述高强拉杆位于两个所述堵头1外的端部均锁定在与其对应的堵头1上；所述系统还包括用于消除所述高强拉杆与所述堵头1之间的间隙的第一止水装置3。在本实施例中，试验时用到的部件主要包括涵管、高强拉杆和堵头1，其中涵管长达24m，内径5.1m，管壁a的最小厚度0.45m，管道内的工作压力值为0.55MPa，试验压力取值为1.5倍超载，最大内水压力为0.83MPa。堵头1高7.1m，宽7.1m，厚2m，堵头1的高厚比足够小，可以避免发生倾倒，其优选为凸字型结构，所述堵头1为凸字型结构，凸字型结构的所述堵头1的小口径段卡入所述涵管，所述高强拉杆穿过堵头锁定在所述凸字型结构的大口径段上，其小口径段伸进涵管中0.3m，然后利用高强拉杆连接两个堵头1，以实现自平衡反力，用于承受管道水压力，优选的，所述高强拉杆的端部通过锚具5锁定在所述堵头1上，且所述锚具5与所述堵头1之间设有橡胶垫片19，橡胶垫片19可以防滑，可使锚具5锁定更紧，进而使连接结构更为稳定，优选的，堵头1设计完后采用有限元方法验算堵头1的可靠性。由于采用的高强拉杆具有一定的伸缩量，当管道水压力升高推动堵头1使锁定在堵头1上的高强拉杆伸长从而达到自平衡。优选的，所述高强拉杆的数量有多根，各所述高强拉杆沿涵管的厚度方向依次间隔布设，通常情况下，高强拉杆的数量可以设置多根，以得到足够的稳定性，可以在选定高强拉杆的直径后，按照均匀布置的方式确定高强拉杆的根数，依据高强拉杆的材料参数确定压水试验过程中每根高强拉杆的最大拉力与最大伸长量，高强拉杆可以设在涵管中，然后两端伸进堵头1并贯穿堵头1至堵头1外(相对于堵头封堵涵管，涵管是内)，高强拉杆也可以在涵管外，直接连接两个堵头1。而在高强拉杆穿过堵头1时，会留有间隙，这个间隙会导致水渗出，因此为了使试验成功开展，可以采用第一止水装置3来防止该间隙处渗水。优选的，高强拉杆为钢筋4，其高强体现在抗拉强度要大于1000MPa。另外，请参阅图1和图3，本系统还包括用于防止所述堵头1和所述涵管之间的间隙处渗水的第二止水装置2。堵头1与涵管之间的连接也难免会有间隙，可以采用第二止水装置2来防止此处渗水。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述第一止水装置3包括预埋在所述堵头1中的钢管13以及设于所述钢管13内的防水件。在本实施例中，细化上述的第一止水装置3，其包括预埋在堵头1中的钢管13，上述堵头1优选为混凝土预制件，那么在预制该堵头1时即可将钢管13预埋在其中，这样二者就可以看做是一个整体部件，如此便可以省去钢管13与堵头1之间的间隙，然后高强拉杆从钢管13穿过至堵头1外，再通过锚具5锁定即可，在这其中，通过钢管13内的防水件的配合，即可实现防水。优选的，钢管采用外径63mm，厚2mm的304不锈钢管，预埋在堵头混凝土中。
进一步优化上述方案，请参阅图1和图2，所述防水件包括安设在所述钢管13内的套管14，所述套管14内以及所述高强拉杆的外表面均设有螺纹，所述高强拉杆螺纹连接于所述套管14内。在本实施例中，防水的方式是再在钢管13内设一套管14，并将高强拉杆和套管14螺纹连接，如此便可防水，优选的，可以在高强拉杆上缠绕生胶带16，使生胶带16封堵螺纹间隙，起到更好的防水作用。优选的，套管可采用含内螺纹的40Cr连接器，精密加工至外径为59mm。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述套管14的外表面具有止水槽21，所述止水槽21中安设有防水圈15。在上述实施例中，是解决高强拉杆与套管14的防水，本实施例是解决套管14与钢管13之间的防水，可以在套管14的外表面施作止水槽21，然后在止水槽21中安装防水圈15，该防水圈15为O型圈。优选的，止水槽宽4mm，深2.6mm，其有两个，两个止水槽之间的间距为50mm，O型圈选用内径54mm，线径3mm的橡胶密封圈。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述钢管13远离所述堵头1的一端连接有大小头20，所述大小头20填充有第一止水材料90。在本实施例中，设此大小头20可以便于填充第一止水材料90，该第一止水材料90为SR塑性止水材料，此处的第一和后续实施例的第二仅仅是指为了便于描述，并没有任何的限定意义，下面再遇到就不再赘述。优选的，在不设上述防水措施的钢管13和套管14之间也可以设置第一止水材料90。优选的，大小头为一端外径159mm，另一端外径63mm的304不锈钢材质异径管。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图2，所述钢管13靠近所述堵头1的一端设有橡胶止水带17，所述橡胶止水带17上覆盖有钢板18，所述高强拉杆位于所述堵头1外的端部锁定在所述钢板18上。在本实施例中，除了上述实施例中在钢管13内设止水措施以外，在高强拉杆伸出堵头部位也设止水措施，具体可以采用橡胶止水带17，为了结构的稳定，可以覆盖钢板18，锚具5可以锁定在钢板18上，提升稳定性。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图3，所述第二止水装置2包括止水铜片7，所述止水铜片7的两端分别设于所述涵管和所述堵头1中，且所述止水铜片7的牛鼻子朝向所述堵头1。在本实施例中，止水的形式采用的是止水铜片7，优选的，止水铜片7的牛鼻子高度略大于高强拉杆的最大伸长量，牛鼻子宽度可设计为10～20mm。设定铜片锚固长度L、堵头1与涵管之间缝宽d，并验算止水铜片7的锚固强度。首先通过试验确定铜片与混凝土的粘结强度，按照锚固长度确定允许锚固力F，按照公式T＝0.5pπ(R+d)d近似计算铜片所受拉拔力T，其中p为内水压力，R为堵头1凸出部位直径；F>T时通过验算，F<T时需调整锚固长度。同时，依据止水铜片7的拉伸强度验算止水铜片7是否被拉断，按照公式A＝πRt计算受拉截面积，其中t为止水铜片7厚度，则可求得止水铜片7允许拉荷载N，N>T时通过验算，N<T时需调整调整设计方案。该试验方法为止水铜片7的设计方法。优选的，止水铜片厚度1mm，极限拉伸强度436Mpa；埋入涵管混凝土与堵头混凝土内铜片长度200mm，端部弯起30mm，止水牛鼻子高度100mm，宽度10mm。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图3，所述第二止水装置2还包括敷设于所述涵管与所述堵头1的缝隙中的缝板8。在本实施例中，止水的方式还可以采用缝板8填充缝隙，缝板8可以是聚乙烯缝板。优选的，聚乙烯缝板厚20mm，填满堵头与输水涵管之间的缝隙，且聚乙烯缝板夹住铜片止水；。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1和图3，所述第二止水装置2还包括第二止水材料91，所述第二止水材料91敷设于所述涵管与所述堵头1的转角部位，所述第二止水材料91外包覆有波形止水带10，所述波形止水带10通过压条11安装在所述涵管和所述堵头1上。在本实施例中，如同上述的第一止水材料90，此处也可以设止水材料，止水采用为SR塑性止水材料，其具有柔性，通过波形止水带10包裹，然后再通过铝合金压条压住，并通过膨胀螺栓12将铝合金压条固定在管壁a和堵头1上，并使用聚脲防渗材料封闭。优选的，凸字型堵头与涵管接触转角处使用SR塑性止水材料填充，外包波形止水带，波形止水带两端用50mm×5mm铝合金压条配合M10×100镀锌膨胀螺栓固定，并使用聚脲防渗材料封闭。
作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1，于所述堵头1上开设检修门6。在本实施例中，可以在其中一个堵头1或者是两个堵头1开设检修通道，可以便于检修，检修通道靠近涵管一侧采用拍门进行封闭。
本发明还提供一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统的设计方法，包括自平衡反力的设计、堵头的设计以及止水铜片的设计；
所述自平衡反力的设计具体为：先通过压水试验水头与涵管的内径计算堵头承受的最大水压力，然后选定高强拉杆的直径，依据高强拉杆的材料参数确定压水试验过程中的高强拉杆的最大拉力与最大伸长量；
所述堵头的设计具体为：先依据经验初步设计堵头尺寸，然后将水压力等效为均布荷载，并将高强拉杆的反力等效为集中荷载，采用有限元方法验算堵头的可靠性；
所述止水铜片的设计具体为：先初步估计铜片锚固长度L，堵头与涵管之间缝宽d，并验算止水铜片的锚固强度；然后通过试验确定铜片与混凝土的粘结强度，按照初步估计的锚固长度确定允许锚固力F，
按照公式T＝0.5pπ(R+d)d近似计算铜片所受拉拔力T，其中p为内水压力，R为堵头凸出部位直径；
当F>T时通过验算，F<T时需调整锚固长度；
同时，依据止水铜片的拉伸强度验算止水铜片是否被拉断，
按照公式A＝πRt计算受拉截面积，其中t为止水铜片厚度，则可求得止水铜片允许拉荷载N，
当N>T时通过验算，N<T时需调整调整设计方案，
其中，所述止水铜片的牛鼻子的高度大于所述高强拉杆的最大伸长量。
以下为一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统的设计方法具体的实施例：
在设计自平衡反力系统时，通过强度验算与伸长量验算设计自平衡反力系统中的拉力系统。首先，依据输水涵管内径5.1m，最大内水压力为0.83Mpa，计算堵头所承受的最大水压力为16947kN，选择直径40mmPSB930级精轧螺纹钢作为拉杆材料，公称截面面积1257mm2，则每根拉杆屈服前可承受1169kN荷载，按照利用屈服强度的50％进行强度设计，则承担16947kN荷载需要不少于29根杆件。弹性模量取2×105MPa，按照允许伸长量5cm进行变形控制设计，则按照材料弹性拉伸理论需要不少于33根杆件。依据涵管截面特征以及拉杆均匀布置的原则，设计20根拉杆位于涵管内部，17根拉杆位于涵管外部，共布置37根精轧螺纹钢作为自平衡反力系统的拉杆，满足材料强度要求与变形控制要求，平均每根高强螺纹钢承受的最大拉力为458kN，优选的，其中20根高强钢筋穿过涵管，17根高强钢筋位于涵管外部；高强钢筋直径40mm，级别为PSB930级，屈服强度930MPa，抗拉强度1080MPa；单根长9m，使用长220mm，外径74mm，40Cr连接器连接，连接器抗拉强度1150MPa；锚具使用长100mm，内径40mm，40Cr平口螺母。管道水压力升高推动堵头使锚固在堵头上的高强钢筋伸长，反力系统将水压力传递到高强钢筋上，从而达到自平衡。
在设计堵头时，依据经验初步设计堵头尺寸为高7.1m，宽7.1，厚2.0m，伸进涵管“凸”字形部分宽0.3m。将水压力0.83MPa等效为均布荷载；假设每根高强拉杆承担的拉力相同，则每根拉杆承担荷载为458kN，将其等效为集中荷载作用在堵头上。使用有限元方法对堵头进行力学计算，得到大部分区域拉应力小于1.0MPa，满足要求。据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)中非杆件体系配筋原则进行配筋；按照拉应力完全由钢筋承担进行计算，其中承载安全系数K＝1.35，钢筋抗拉强度设计值取300MPa(HRB335)。堵头正面按照双向配筋，每个方向按间距275mm配25根Φ28mm钢筋；堵头侧面按间距275mm配置Φ10mm钢筋。
在设计止水铜片时，在前述设计的基础上，确定止水铜片“牛鼻子”高度大于高强螺纹钢的最大伸长量，取100mm，宽度设计为10mm。初步设计止水铜片在混凝土内的锚固长度L为200mm，堵头与管道之间缝宽d为20mm，取铜片与混凝土的粘结强度为0.5MPa，铜片与混凝土的粘结面积(双面)为6.66m2，则允许锚固力F为3330kN。如前所述内水压力p为0.83MPa，堵头凸出部位直径R为5.06m，则铜片所受拉拔力T为132.4kN，则F>T，设计满足要求。取止水铜片拉伸强度431MPa，止水铜片厚度t为1mm，则受拉截面积0.016m2，允许拉荷载N为6848kN，N>T，设计满足要求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：包括可封堵涵管的两端的堵头以及具有伸缩量的高强拉杆，所述高强拉杆分别贯穿两个所述堵头，所述高强拉杆位于两个所述堵头外的端部均锁定在与其对应的堵头上；所述系统还包括用于防止所述高强拉杆与所述堵头之间的间隙处渗水的第一止水装置以及用于防止所述堵头和所述涵管之间的间隙处渗水的第二止水装置。
2.如权利要求1所述的大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：所述第一止水装置包括预埋在所述堵头中的钢管以及设于所述钢管内的防水件。
3.如权利要求2所述的大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：所述防水件包括安设在所述钢管内的套管，所述套管内以及所述高强拉杆的外表面均设有螺纹，所述高强拉杆螺纹连接于所述套管内。
4.如权利要求3所述的大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：所述套管的外表面具有止水槽，所述止水槽中安设有防水圈。
5.如权利要求2所述的大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：所述钢管远离所述堵头的一端连接有大小头，所述大小头填充有第一止水材料。
6.如权利要求1所述的大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：所述第二止水装置包括止水铜片，所述止水铜片的两端分别设于所述涵管和所述堵头中，且所述止水铜片的牛鼻子朝向所述堵头。
7.如权利要求1所述的大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：所述第二止水装置还包括敷设于所述涵管与所述堵头的缝隙中的缝板。
8.如权利要求1所述的大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：所述第二止水装置还包括第二止水材料，所述第二止水材料敷设于所述涵管与所述堵头的转角部位，所述第二止水材料外包覆有波形止水带，所述波形止水带通过压条安装在所述涵管和所述堵头上。
9.如权利要求1所述的大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统，其特征在于：所述堵头为凸字型结构，凸字型结构的所述堵头的小口径段卡入所述涵管，所述高强拉杆穿过堵头锁定在所述大口径段上。
10.一种大尺寸有压输水涵管压水试验封堵系统的设计方法，其特征在于，包括自平衡反力的设计、堵头的设计以及止水铜片的设计；
所述自平衡反力的设计具体为：先通过压水试验水头与涵管的内径计算堵头承受的最大水压力，然后选定高强拉杆的直径，依据高强拉杆的材料参数确定压水试验过程中的高强拉杆的最大拉力与最大伸长量；
所述堵头的设计具体为：先依据经验初步设计堵头尺寸，然后将水压力等效为均布荷载，并将高强拉杆的反力等效为集中荷载；采用有限元方法验算堵头的可靠性；
所述止水铜片的设计具体为：先初步估计铜片锚固长度L，堵头与涵管之间缝宽d，并验算止水铜片的锚固强度；然后通过试验确定铜片与混凝土的粘结强度，按照初步估计的锚固长度确定允许锚固力F，按照公式T＝0.5pπ(R+d)d近似计算铜片所受拉拔力T，其中p为内水压力，R为堵头凸出部位直径；
当F>T时通过验算，F<T时需调整锚固长度；
同时，依据止水铜片的拉伸强度验算止水铜片是否被拉断，
按照公式A＝πRt计算受拉截面积，其中t为止水铜片厚度，则可求得止水铜片允许拉荷载N，
当N>T时通过验算，N<T时需调整调整设计方案，
其中，所述止水铜片的牛鼻子的高度大于所述高强拉杆的最大伸长量。
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