CN113389942B - 一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构，其主要包括回填混凝土层、软垫层、双波纹套管和钢管；低弹模软垫层填充的是常规水工填缝材料；双波纹套管是吸收错动量的主要部位，由承受内压的内波纹管、承受外压的外波纹管、外护套和导流板组成；钢管接于内波纹管焊接板的左右两侧，钢管外每隔一段距离设置T字形加劲环，用于提高钢管抗外压稳定性；该结构具有良好的抗外压稳定性，刚柔结合，能适应多种类型的断层，在管轴向的拉压变形或横向剪切作用后，钢管仍能保持安全运行，管道施工时不需要预留很大的安装空间，工程施工的难度较低，具有较高的经济性。

Description

一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构

技术领域

本发明属于输水工程领域，涉及一种地下输水钢管技术，具体涉及一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构。

背景技术

由于水资源空间分布与社会经济发展不协调，一般采用兴建跨流域引调水工程解决这个问题，跨流域引调水工程是实现水资源可持续利用与发展的重要对策，影响巨大，其大量采用地下埋藏式水工隧洞或钢管输水，结构的安全性至关重要。

兴建跨流域引调水工程过程中，长距离工程常遇到不良地质条件，其中以断层的危害最大。活断层发生错动时，能使沿线工程直接承受巨大的挤压和拉扯作用，造成结构不可修复性的破坏，断层突然的错动产生强烈的地震，并引发基岩的运动和开裂，产生的永久变形可达数米，严重影响过断层结构的安全。

目前工程埋藏式水工隧洞的抗错断措施主要为断面超挖法和设置外包减震层，或者是两者的组合。超挖法需要对断层发生的错动量进行提前预判，对断层可能发生处，按照管径乘以一定的安全系数，对截面尺寸进行适当扩大。外包减震层法是通过在围岩和管道结构之间设置缓冲层吸收部分错动能量，避免断层与管道结构的直接作用，缓解地震中断层突然错动产生的位移，尽可能保证结构的正常使用。超挖法具有一定的不确定性，需要有较完善的地质勘测资料，不适用于大范围的断层破碎带，且限于地下扩挖的难度，经济性较差。外包减震层法虽然施工相对而言较简单，适用性较强，但是对错动能量的吸收能力有限，抗断效果稍差。

随着引调水工程规模的日益增大，需承受的内水压也随之增大，传统采用的地下隧洞工程内水外渗及水荷载问题会愈发明显，而深埋的地下埋藏式钢管在高外水压力作用下的抗外压稳定性也会比较突出，因此，针对地下埋藏式压力钢管，根据钢管道受力特性提出与之相适应的抗错断措施，就显得迫切而有必要，能为今后部分过活断层引调水工程提供重要的保障。

发明内容

针对上述提出的问题，本发明提供了一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构，该抗断结构具有良好的承受内压和抗外压稳定性，刚柔结合，能适应多种类型的断层错动变形，在管轴向的拉压和横向剪切作用后，钢管仍能保持安全运行。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构，包括埋设于地下的钢管，其特征在于：所述钢管在过活断层区域断开并通过双波纹套管相连，所述的双波纹套管是吸收断层错动量的主要部件，双波纹套管包括内波纹管、外波纹管和将内、外波纹管保护起来的外护套，所述外护套包括两个环形板和分别安装在两个环形板上的内、外保护管，内、外保护管在端部错层穿插，并在相错的端部之间设有柔性填充层。

进一步地，所述双波纹套管两侧的钢管上分别焊接有一端管，两个环形板分别同轴的焊接在两个端管上，所述内波纹管两端分别连接在两个端管上；两个环形板径向靠外侧设有分别焊接有一个连接管，所述外波纹管两端分别连接在两个连接管上。

进一步地，两个环形板外径大小不一样，大外径的环形板上焊接有内保护管，小外径的环形板上焊接有外保护管，所述外保护管在内保护管高度处向外侧避让弯折，形成环形凹槽口，所述环形凹槽口为内波纹管和外波纹管的伸缩变形提供间隙余量。

进一步地，所述柔性填充层为柔性发泡剂。

进一步地，所述内波纹管采用非均匀波纹，头尾两端采用小波，中间为大波，小波的波谷和大波的波谷、波峰采用半径相同的圆弧过渡，小波的波峰采用的过渡圆弧半径为其波谷的一半。

进一步地，每两个相邻波峰之间的波谷处设置增强对波纹管束缚作用的内加劲环。

进一步地，所述外波纹管采用与内波纹管结构相同，但是波纹方向相反的波纹管，外波纹管的每两个相邻波峰之间的波谷处设置增强对波纹管束缚作用的外加劲环，内波纹管和外波纹管之间预留供变形的间隙。

进一步地，所述外护套四周设有软垫层，软垫层包裹外护套及与外护套相邻近的钢管，其余钢管四周设有回填混凝土层。

进一步地，所述的回填混凝土层为分段式的，中间设有缝隙，增加整体的柔性。

进一步地，所述软垫层为低弹模软垫层，填充的是常规的水工填缝材料，具有低弹模的特点。

进一步地，所述钢管外表面每间隔一段距离设置一个T字形加劲环。

进一步地，在双波纹套管前方迎流方向的钢管内壁设有防止波纹管对水流造成紊流的导流板。

本发明的一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构，正常运行时，回填混凝土主要用于抵抗部分围岩压力，同时也起到传递内水压力的作用，钢管内部可承受高水压，钢管道和回填混凝土、围岩联合承载达到稳定。在外压作用下，钢管本身和T字形加劲环共同承担外压作用，能更好的保证结构的整体稳定性。双波纹套管的内波纹管在内加强环的箍套下承担内水压力，同材质的外波纹管用于防止内波纹管在外水压力下从内加强环脱落从而内陷，起到抵抗高外水压力的作用；断层发生错动后，小错动量情况下，回填混凝土节段发生较小的错位，软垫层随着双波纹套管的小错动而出现径向变形，可完全吸收错动位移量。错动量加大后，双波纹套管随着断层错动方向发生拉压或者剪切变形，多段U型波纹具有较高的几何伸长空间，可以为钢管提供轴向或横向的变位，软垫层为双波纹套管的变位提供空间，集中吸收断层的错动量。断层错动量较大或断层影响范围较大时，还可在工程中设置多个本发明结构，并行使用。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

输水压力钢管受到了回填混凝土层和双波纹套管的双重保护，能适应断裂带较大的错动变形，管道拥有较强的抗断性。

双波纹套管可有效地应对埋藏式钢管受到的高外水压力，从而提升整个复合结构的抗外压稳定性。

采用外护套包裹在波纹管的外侧，使得双波纹套管的安装和使用不受环境限制。整体施工较为简便，管道施工时不需要预留很大的安装空间，降低了工程施工的难度和安装的成本。

附图说明

图1为一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构示意图；

图2为双层波纹套管示意图；

图3为T字型加劲环示意图；

图4为图1中整体结构沿A-A方向的剖面图。

图中，1-围岩；2-活断层；3-回填混凝土层；4-软垫层；5-双波纹套管；51-端管；52-内波纹管；53-内加劲环；54-外波纹管；55-外加劲环；56-导流板；57-左环形板；58-右环形板；59-内保护管；510-凹槽口；511-柔性发泡剂；512-外保护管；513-连接管；6-T字型加劲环；61-翼缘；62-腹板；7-钢管。

具体实施方式

以下将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下,本发明中实施例和实施例的特征可以相互组合，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。为叙述方便，下文中如出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用。

如图1和图2所示，本发明提供的一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构主要包括回填混凝土层3、软垫层4、双波纹套管5和钢管7。

所述钢管7在过活断层2区域(即活动断裂层)断开并通过双波纹套管5相连，所述的回填混凝土层3浇注在钢管7四周，采用中高强混凝土，主要用于抵抗围岩1压力，回填混凝土为分段式的，节段与节段之间设有缝隙，节段长度一般取6到12米，断裂带活动越活跃的，节段长度选取越短，增加整体的柔性。

所述的软垫层4将双波纹套管5包裹保护起来，较优情况下为外部全包，填充的是密度等级为100-1600kg/m³的水工结构填缝材料，软垫层4的厚度为完全覆盖双波纹套管5后再往两端外延伸30-50cm。

为了提高钢管7的强度，所述钢管7外表面每间隔一段距离设置一个T字形加劲环，T字形加劲环由翼缘61和腹板62组成，所述T字型加劲环6的高度为200-300mm，翼缘61的宽度为加劲环高度的2/5-2/3，腹板62与翼缘61的厚度按一般构造选取，更优的厚度选取为与钢管7管壁厚度一致，加劲环的间距及其他更多相关要求可参照NB/T 35056-2015水电站压力管道设计规范。

如图2所示，所述双波纹套管5包括内波纹管52、外波纹管54和将内、外波纹管保护起来的外护套，所述外护套包括两个环形板和分别安装在两个环形板上的内、外保护管，内、外保护管在端部错层穿插，并在相错的端部之间设有柔性填充层。本发明以左环形板57和右环形板58表示两个环形板的轴向位置关系。

所述的双波纹套管5的左右两边各设置一端管51与两侧钢管7焊接相连，两个端管51相对的内侧连接着内波纹管52，内波纹管52采用非均匀波纹，头尾采用小波，中间为大波；所述的大波采用“U形”波纹，波高、波宽和波数由设定位移补偿量决定，若大波的弧形段是半径为2a的半圆，则小波由一段半径为a的半圆，一段半径为2a的1/4圆，两段弧形构成。每两个波峰之间的波谷内设置一个内加劲环53，增强对波纹管的束缚作用，防止内波纹管52在高内水压作用下，过度变形而失去作用。

在两个环形板径向靠外侧设有分别焊接有一个连接管513，所述外波纹管54两端分别连接在两个连接管513上。外波纹管54与内波纹管52结构相似，内外方向相反，主要用于抵抗深埋情况下地下水位很高而产生较高的外水压力，避免了单层波纹管因内外应力循环而造成的疲劳断裂，使用寿命更长。每两个波峰之间的波谷内设置一个外加劲环55，内波纹管52和外波纹管54安装时中间预留了一定的空隙。波纹段是吸收错动量的主要部件，大小波的设计让两端的波纹管不会发生变形集中，波纹管在承担压力时整体受力更合理。

作为一种更优的实施例，双波纹套管5内部设置有导流板56，具体的所述导流板56设置在迎流方向前端的钢管7内壁上，导流板56覆盖整个内波纹管52，即导流板56轴向长度大于最大伸长情况下的内波纹管52。

所述的外护套用于隔开软垫层4和内、外波纹管起保护作用，主要由左环形板57、右环形板58、内保护管59和外保护管512组成，左环形板57和右环形板58立于两侧端管51的中间，左环形板57直径小于右环形板58，外保护管512左端向左侧内凹避让形成凹槽口510，或者将外保护管512制作成内、外管组成的单侧开口环形保护管，环形板保护管在开口处形成凹槽口510；内保护管59右端与右环形板58焊接相连，内保护管59左端插入凹槽口510内2-4cm，使得内外保护管59、外保护管512在端部错层穿插，内保护管59的轴向长度刚好能盖住双波纹套管5。凹槽口510的凹槽宽度大于内保护管59的壁厚，允许双波纹套管5发生变形时(主要是轴向变形)，内保护管59随着右侧钢管7的运动同步变位。凹槽口510的内壁和内保护管59外层注填柔性发泡剂511，防止混凝土浇筑时的泥浆等流入产生沉淀或摩损阻碍正常运行，填柔性发泡剂511更优的采用宽度为3-7cm薄层多孔聚氨酯发泡剂注填料。

所述的导流板56，紧贴着内波纹管52，长度能包裹住内波纹管52即可，尽量减小双波纹套管5段对水流和泥沙的影响。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其操作方式，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种过活断层的地下埋藏式压力钢管抗断结构，包括埋设于地下的钢管，其特征在于：所述钢管在过活断层区域断开并通过双波纹套管相连，所述双波纹套管包括内波纹管、外波纹管和将内、外波纹管保护起来的外护套，所述外护套包括两个环形板和分别安装在两个环形板上的内、外保护管，内、外保护管在端部错层穿插，并在相错的端部之间设有柔性填充层；

所述双波纹套管两侧的钢管上分别焊接有一端管，两个环形板分别同轴的焊接在两个端管上，所述内波纹管两端分别连接在两个端管上；两个环形板径向靠外侧设有分别焊接有一个连接管，所述外波纹管两端分别连接在两个连接管上；

两个环形板外径大小不一样，大外径的环形板上焊接有内保护管，小外径的环形板上焊接有外保护管，所述外保护管在内保护管高度处向外侧避让弯折，形成环形凹槽口，所述环形凹槽口为内波纹管和外波纹管的伸缩变形提供间隙余量；

所述内波纹管采用非均匀波纹，头尾两端采用小波，中间为大波，小波的波谷和大波的波谷、波峰采用半径相同的圆弧过渡，小波的波峰采用的过渡圆弧半径为其波谷的一半；

每两个相邻波峰之间的波谷处设置增强对波纹管束缚作用的内加劲环；

所述外护套四周设有软垫层，软垫层包裹外护套及与外护套相邻近的钢管，其余钢管四周设有回填混凝土层；

所述外波纹管采用与内波纹管结构相同，但是波纹方向相反的波纹管，外波纹管的每两个相邻波峰之间的波谷处设置增强对波纹管束缚作用的外加劲环，内波纹管和外波纹管之间预留供变形的间隙。

2.根据权利要求1所述的地下埋藏式压力钢管抗断结构，其特征在于：所述柔性填充层为柔性发泡剂。

3.根据权利要求1所述的地下埋藏式压力钢管抗断结构，其特征在于：所述钢管外表面每间隔一段距离设置一个T字形加劲环。

4.根据权利要求1所述的地下埋藏式压力钢管抗断结构，其特征在于：在双波纹套管前方迎流方向的钢管内壁设有防止波纹管对水流造成紊流的导流板。

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