浅谈寒冷地区压力钢管抗冻设计

杨鹏，郝鹏

1 引言

在我国西部寒冷地区，极端最低气温达-40℃，昼夜温差大、阳光辐射强，工程环境复杂，压力钢管的抗冻安全问题突出。本文结合西部某水电站压力钢管防冻设计体会，浅谈寒冷地区压力钢管的抗冻设计措施，为同类工程设计提供借鉴参考。

2 压力钢管布置

2.1 基本资料

某水电站正常蓄水位1240m，装机容量95MW，工程为Ⅲ等工程，工程规模属中型。压力钢管上平段为缓坡，自然坡度5°～30°，岩层主要为砂卵砾层，岩性软弱，强度低。钢管斜坡段表层为Ⅳ级阶地砂卵砾石层及少量的残坡积层，下伏地层为K₁tg^a、K₁tg^b薄层、极薄层夹中厚层泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩，岩性软弱，强度低，风化较深。该工程区属低山丘陵地带，降水少，蒸发强，日照时间长。多年平均气温为6.4℃，极端最高气温为39.1℃，极端最低气温为-30.4℃，季节性冻土标准冻深1.6m。多年月平均气温最高为20.7℃，相应月份为7月，多年月平均气温最低为-10℃，相应月份为1月。水文站多年月平均气温见表1。

2.2 压力钢管布置

压力管道布置于厂房后坡靠SW侧（布置见图1、图2），在下平段后通过月牙肋岔管接2条支管与厂房蝶阀相连。主管段管径4.2m，支管段2.6m。压力管道始于调压井后隧洞渐变段末端，由一条主管和两条支管组成，总长1225.8m，其中主管前198.8m为埋藏式压力钢管，上平段（1号镇墩与4号镇墩之间）847m为浅埋式钢衬钢筋混凝土管，斜坡段为钢衬钢筋混凝土明管，总长145m。支管段长度35m。埋管段回填素混凝土0.6m，钢衬钢筋混凝土管上平段管线基本沿山坡浅埋布置，外包混凝土厚0.6m，斜坡段采用钢衬钢筋混凝土明管型式，外包混凝土厚0.8m。钢衬钢筋混凝土管配双层钢筋，钢管管材采用Q345R钢材，壁厚16～30mm。

3 压力钢管抗冻设计

3.1 抗冻措施

水在低温环境下液固两相转化的体积膨胀，是导致混凝土结构破坏的主要原因，混凝土结构内部水或外部水渗入混凝土裂缝中经反复冻融，使得混凝土裂缝不断扩张或裂缝向纵深发展，从而使混凝土结构破坏、钢筋锈蚀。基于冻融破坏机理，寒冷地区压力钢管防冻设计应考虑以下几个方面：①管体保温，避免低温季节机组短暂停运期间钢管内部水体结冰发生结构冻胀破坏；②限制结构裂缝，尽量避免在温度及内水荷载作用下管身结构发生开裂，降低管身混凝土结构发生冻融破坏风险；③结构表面防渗，避免或者减少水汽及降水进入裂缝造成钢筋锈蚀、加剧冻融破坏；④保温构件防老化，提高强辐射高温差环境下保温构件的耐久性。

根据该水电站钢管布置情况，压力钢管埋管段处于当地冻深以下，基本上不受外界气温影响，不需要采取专门的保温措施，钢管抗冻设计重点为钢衬钢筋混凝土管段。施工详图阶段设计时，虽然对该水电站施工期钢管及外包混凝土封管温度提出了严格要求，但钢管制造安装及外包混凝土施工正处于气温较高的夏季，管道通水后管身外包混凝土由于温度荷载产生温度裂缝的风险较大。同时该电站钢衬钢筋混凝土管段结构设计采用了钢筋钢衬联合承载，在运行期最大内水压力作用下，混凝土将发生径向开裂。所以，在温度及内水荷载作用下，管道混凝土结构必然存在开裂情况，该水电站钢衬钢筋混凝土管结构具备发生冻融破坏的条件。结合该电站地形特点及钢管布置情况，初选了如下抗冻措施。

（1）钢衬钢筋混凝土管上平段。

1）对具备覆土回填地形条件的上平段回填不小于该地区冻土深度1.6m的覆土，初拟回填厚度3m。

2）为避免坡面积水对覆土及管身结构造成影响，在开挖开口线以外设置截水沟。

（2）钢衬钢筋混凝土管斜坡段。由于钢管斜坡段坡度达43°，不具备覆土回填条件，采用管道结构外覆材料保温。

1）外包混凝土表面涂刷沥青玛脂进行防渗。

2）防渗涂层外面覆盖厚度10cm聚苯乙烯泡沫板保温，保温板导热系数91.7kJ/（m·月·℃）。

3）保温层外采用镀锌铁皮装置进行固定（见图3、图4）

图3和图4中：①为镀锌铁皮；②为压条扁钢及镀锌膨胀螺栓；③为聚苯乙烯泡沫板保温层；④为钢衬钢筋混凝土结构；⑤为沥青玛脂防渗层。

3.2 有限元模拟

3.2.1 计算模型

为了对该电站保温措施的保温效果进行评估，优选保温措施参数，采用有限元软件进行数值模拟。有限元计算软件采用ANSYS10.0，选用SOLID70单元模拟外包混凝土、基岩、外包保温材料和回填石渣。在计算分析中，基本采用8节点6面体等参单元进行有限元离散，局部采用6节点5面体（三棱柱）单元过渡。离散后计算模型的有限元网格中：单元总数共有14889个，结点总数为30432个。

基本假定如下：

（1）由于引水系统在水库取水深度近70m，库水体积大，库底温度稳定而钢材导热性能良好，假定钢管及管内水体温度恒定为4℃。计算中地基底部和混凝土内部被视为固定温度约束，回填石渣表面、外包保温材料表面及地基表面为对流边界条件。

（2）考虑极端气温对管体结构温度影响时效，采用多年月平均气温来模拟气温对钢管及外包混凝土的影响较为合适，外界空气温度年度呈现周期性变化，假定年度温度按如下余弦曲线变化，即

计算参数：管体混凝土结构、回填土石料（冻土层回土石料及标准冻深以下干燥土石料）、管身基础及保温材料参数选取见表2。

3.2.2 计算结果

对钢管进行了全年度12个月份温度场模拟，现仅列多年月平均气温最低月及多年月平均气温最高月份模拟结果（见图5和图6）。

（1）浅埋式钢衬钢筋混凝土管。

选取管道混凝土结构离覆土地表最近的两个特征点（见图7）来分析其年度温度变化特征。特征点温度年度历时变化曲线见图8。

由温度场模拟结果（图9和图10）可知，在对钢管进行厚3m覆土回填后，管身混凝土结构受外界气温影响较小，在最高及最低月与管内水体温度最大差值分别为2.2℃及1.9℃，保温效果明显。

（2）钢衬钢筋混凝土明管

选取管道混凝土结构四个特征点（见图11）来分析其年度温度变化特征。特征点温度年度历时变化曲线见图12。

由温度场模拟结果可以看出，受基础导热性影响混凝土底角处受外界气温影响较大，最低温度-0.8℃，最高温度5.2℃；其余部位受外界气温影响较小，结构顶部特征点最低温度1.6℃，最高温度5.8℃，结构内部特征点最低温度和最高温度差别不大，为3.5℃左右，最高温度4.2℃，保温层保温效果良好，选取保温层参数合适。

3.3 防冻措施实施

（1）浅埋式钢衬钢筋混凝土管。该管段保温措施为覆土回填，施工工艺较简单。为减少开挖、节省工程投资直接就地取材，将管槽开挖砂卵砾层料回填。同时完成管槽开挖开口线以外的截水沟设置，保证外水可靠引排。

（2）钢衬钢筋混凝土明管。该管段采用外覆保温材料措施，由于涉及防渗涂层、保温材料及保护固定装置施工，对施工工艺要求较高。

防渗涂层沥青玛脂是由沥青和填料按一定的比例热拌均匀而成，其配合比通过现场试验确定，应具有高温不流淌、低温不裂等技术要求。沥青玛脂施工时要求的黏度，一般为10～1000Pa·s。外包混凝土达到设计强度后，对表面进行清洁，将潮湿部位烘干后均匀涂刷一层稀释沥青，用量为0.15～0.20kg/m²，其上再铺筑一层沥青玛脂，沥青玛脂涂层厚度不小于1cm。沥青玛脂铺设应表面平整，无流淌和鼓包现象，施工温度170～190℃。

沥青玛脂涂层充分干燥后，进行外覆保温材料施工，保温层厚度10cm。保温板安装之前，须保证浇筑的外包混凝土水化热充分发散且混凝土温度达到稳定温度后方可安装。保温板按环向安装，板宽方向平行钢管轴向，沿轴向设施工缝，为保证保温材料保温效果，保温板接缝处必须接合紧密。

外层镀锌铁皮安装时，其上一块压住下一块，搭接长5cm左右，铁皮每隔一定间距（根据铁皮板宽确定，一般采用1.5m）采用压条扁钢和镀锌膨胀螺栓与管身混凝土结构及基础面进行固定。

该电站于2013年投入运行，经过一个冬季运行检验，目前采用的两种保温方式效果明显，防冻设计措施合理。

4 结语

在进行寒冷地区压力钢管防冻设计时，宜结合地形条件优选覆盖不小于冻深2倍的覆土；对于不具备采用覆土保温的明管段，可结合当地气候条件选用防渗涂层+外覆保温材料+防护固定装置的措施达到防冻保温的目的。

该工程压力钢管设计基于结构冻融破坏机理初选了相应的抗冻措施，并采用ANSYS有限元软件对结构温度场进行模拟。从数值模拟结果及工程短期运行情况来看，所选取的压力钢管抗冻措施合理有效：针对钢衬钢筋混凝土明管采用镀锌铁皮对保温层进行防护，不仅有效响应了现行规范的防水要求，还能减缓强辐射地区保温构件的老化问题，提高了保温材料的耐久性；同时将规范要求设置的憎水性涂料由保温层表面调整至管身结构表面，相当于在保温措施里设置了两道防水措施，有效提高防水保证率，进一步降低结构冻融破坏的风险。

参考文献

［1］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制（第二版）［M］，北京：中国水利水电出版社，2012.

［2］肖琳等.含水量与孔隙率对土体热导率影响的室内实验［J］，解放军理工大学学报，2008.9（3）：1-1.