塌陷断裂带直埋供热管道稳定性与安全措施

摘 要

红包的意义:应霍尔的邀请,马龙生夫妇出席了当年的颁奖典礼。

摘 要:针对塌陷区沉降对直埋热水供热管道的影响,对塌陷断裂带直埋热水供热管道进行受力分析及稳定性判定条件分析。推导塌陷区允许沉降量的计算式,对接近或达到允许沉降量时的

摘 要:针对塌陷区沉降对直埋热水供热管道的影响,对塌陷断裂带直埋热水供热管道进行受力分析及稳定性判定条件分析。推导塌陷区允许沉降量的计算式,对接近或达到允许沉降量时的安全措施进行了探讨。

关键词:塌陷断裂带  沉降  直埋热水供热管道  稳定性  安全措施

Stability and Safety Measures of Buried Heat-supply Pipeline in Subsidence Area

AbstractAimed at the effect of settlement in subsidence area on buried hot-water heat-supply pipelinethe stress analysis and stability judgment analysisof buried hot-water heat-supply pipeline in subsidence rupture zone are performedThe calculation formula of allowable settlement in subsidence area is dedueedThe safety measures taken when approaching and reaching the allowable settlement are discussed

Key wordssubsidence rupture zonesettlementburied hot-water heat-supply pipelinestabilitysafety measures

1 概述

河南省平顶山煤业集团的一矿、三矿、四矿、五矿、六矿、七矿、九矿、十一矿等矿井,距坑口电厂最远也只有9km,特别是九矿与坑口电厂仅一墙之隔。在这片矿井密集区域内,地下大面积被采空。煤炭行业把地下采过煤的区域称为采空区。地下被采空,采空区上方的地面会逐步或突然沉降,采空区上方的区域称为塌陷区。根据采煤厚度、采空区距地面的深度、采空区上方地质构造等情况,很难准确预测塌陷区的塌陷时间或塌陷速度。若为这些矿井供热,部分直埋供热管道必然通过处于沉降过程中的塌陷区。在管道由非塌陷区进入塌陷区(或由塌陷区进入非塌陷区)的过程中,塌陷断裂带两侧地面可能会逐步或突然形成落差[1]。因此,研究塌陷区沉降对塌陷断裂带直埋供热管道的影响,具有十分重要的意义。本文对塌陷断裂带直埋热水供热管道(以下简称管道)稳定性判定与安全措施进行探讨。

2 稳定性判定

在正常情况下,管道自重(包括供热介质重量)加上部土壤重量等于管道下部土壤的支撑力,无论是有补偿管道还是无补偿管道,管道不会出现弯曲变形。然而,当塌陷区发生沉降时,由于管道的连续性,塌陷断裂带的塌陷区一侧部分管段将发生弯曲变形(见图l),并出现悬空现象,使得管道上部出现均布荷载,直至弯曲变形终止。当塌陷区发生沉降时发生弯曲变形管段的受力分析见图l

 

图中h——塌陷区地面沉降量,m

L——A(塌陷断裂带所在位置)至点B(弯曲变形终止位置)的距离,m

M——B处的弯矩,N·m

¦——弯曲变形管道承受的均布荷载,Nm

发生弯曲变形管段AB承受的均布荷载厂的计算式为:

¦=¦1+¦2                   (1)

¦2=rgDchs                    (2)

式中¦1——单位长度管道的自重(包括供热介质的重量)Nm

¦2——单位长度管道上方土壤重量,Nm

r——土壤密度,kgm3

g——重力加速度,ms2

Dc——预制直埋保温管外壳的外直径,m

hs——设计管顶覆土深度,m

B处弯矩M的计算式为:、

 

式中E——钢材的弹性模量,Pa

I——管段形心惯性矩,m4

Dout——钢管的外直径,m

Din——钢管的内直径,m

A至点B距离L的计算式为:

 

A处管道截面承受弯曲应力sA的计算式为:

 

式中sA——点A处管道截面承受的弯曲应力,Pa

忽略由热胀冷缩产生的二次应力,弯曲变形管段的稳定性判别式为:

 

式中sdf——弯曲应力及由内压产生的一次应力的当量应力,Pa

sny——内压产生的一次应力,Pa

p——管道设计压力,Pa

sall——钢材在计算温度下的基本许用应力,Pa

(7)可作为当塌陷区地面出现沉降时,判定发生弯曲变形管段是否稳定的判别式,也可作为计算塌陷区允许沉降量的计算式。

3 允许沉降量计算

由式(7)可得到塌陷区允许沉降量hall的计算式为:

 

分别计算塌陷区为农田、道路情况下的允许沉降量。农田下土壤密度按1000kgm3计算,路面下土壤密度按l450kgm3计算。由于管道周围及上部的砂可向悬空区流动,因此管道上部砂层的高度不计入覆土深度。砂层以上的覆土深度按0.5m计算,预制直埋保温管的高密度聚乙烯外壳外直径比钢管外直径大0.15m

当计算温度为l30℃时,Q2351Q2358钢材的弹性模量E2×1011Pa,许用应力sallll8.5×106Pa。将以上已知数据代入式(8),可得农田、道路塌陷区允许沉降量ht,allhL,all,的计算式分别为:

 

式中ht,all——农田塌陷区允许沉降量,m

¦t——农田塌陷区发生弯曲变形管段承受的均布荷载,Nm

hL,all——道路塌陷区允许沉降量,m

¦L——道路塌陷区发生弯曲变形管段承受的均布荷载,Nm

塌陷区为农田时,发生弯曲变形管段承受的均布荷载.厂的计算式为:

¦t=500g(Dout+0.15)+250gpD2in+3900gpDout(Dout-Din)    (11)

塌陷区为道路时,发生弯曲变形管段承受的均布荷载¦L的计算式为:

¦L=725g(Dout+0.15)+250gpD2in+3900gpDout(Dout-Din)    (12)

由式(9)(12)可计算得到,不同规格管道在设计压力分别为1.62.5MPa下,农田、道路塌陷区的允许沉降量(见表l)

 

4 安全措施

由式(7)可知,当DinDoutpEsall一定时,提高发生弯曲变形管段稳定性的安全措施是减轻匀布荷载。由式(1)(2)可知,匀布荷载与管顶覆土深度、土壤密度有关。CJJT 81-98《城镇直埋供热管道工程技术规程》对覆土深度有要求,不得随意减小覆土深度。我们采取的安全措施是将管道周围及上部的回填砂层适当增厚,一方面可降低土壤密度,另一方面当塌陷区发生沉降时,管道周围及上部的砂可向悬空管道下部流动,填充悬空区域,以降低管道承受的均布荷载。

当塌陷区接近或达到允许沉降量时,点A处的管道将出现失稳,必须采取安全措施降低当量应力。安全措施的具体方法为:将管段AB上方的覆土挖走,将土壤荷载卸载。再从点A向塌陷断裂带非塌陷区一侧开挖一段距离到达点C,并将管段翻下部掏空,以缓解管段AB的弯曲变形,以便较好地应对下一次沉降,将管段下部悬空部分填实后回填至沉降后地面高度。在实际操作中我们关心的是如何确定塌陷断裂带非塌陷区一侧开挖长度。采取安全措施时管段的受力分析见图2

 

式中¦¢——管段CB承受的均布荷载,Nm

L1——塌陷断裂带非塌陷区一侧开挖长度,m

管段BC被挖开后,点c处管道截面承受的弯曲应力最大,点A处管道截面承受的弯曲应力大幅降低。点C处管道弯曲截面承受弯曲应力听的计算式为:

 

式中sC——点C处管道截面承受的弯曲应力,Pa

由式(13)得:

 

由于采取安全措施前后弯曲管段受力情况类似,将式(5)¦替换成¦¢,将L替换成L+L1,得到L1,的计算式为:

 

由式(15)可知,L1越大sC越小,说明塌陷断裂带非塌陷区一侧开挖长度越长,点C处管道弯曲截面承受的弯曲应力越小,但工程费用将增大。

我们将sCsall相同确定为采取安全措施的目标经济值,将式(4)代入式(15),并根据已知参数:E2×1011Pasallll8.5×106Pa,可得到塌陷断裂带非塌陷区一侧经济开挖长度Le的计算式:

Le=(4.5577×107h2D2out) 0.25-L        (16)

式中Le——塌陷断裂带非塌陷区一侧经济开挖长度,m

采用前面计算方法,分别计算出农田、道路塌陷区对应的上,并将表1数据代入式(16),可计算得不同规格管道在不同设计压力下农田、道路塌陷断裂带非塌陷区一侧经济开挖长度Le,tLe,L,见表2

 

5 结论

本文对塌陷区断裂带直埋供热管道的稳定性判定条件仅限于直埋热水供热管道,对于钢套钢结构的直埋蒸汽供热管道,稳定性判定式的推导与本文的推导过程基本相同,但直埋蒸汽供热管道的形心惯性距应为内管与外管叠加在一起的复合惯性距。

对于塌陷断裂带直埋热水供热管道,在满足相关规范规定及校核计算的前提下,宜适当降低管道上部荷载。管道周围及上部的砂层宜适当增厚,当塌陷区沉降量接近或达到允许沉降量时,应及时采取安全措施,保证塌陷断裂带管段的稳定。

 

参考文献:

[1]高百争,张国强,吴伟逊.煤矿塌陷区架空敷设供热管道安全可靠研究[J].煤气与热力,200828(12)Al6-Al9

 

本文作者:杨仪涛  高百争   

作者单位:中国平煤神马集团阳光物业有限公司

  中国市政工程华北设计研究总院