1、新疆引额济乌一期一步工程小洼槽倒虹吸工程DN3100 玻璃钢夹砂压力管道设计书衡水华成玻璃钢有限公司- 2 -目 录概述第 1 章 设计条件与设计参数分析1.1 设计条件1.2 设计参数第 2 章玻璃钢夹砂管的材料设计及材料性能参数2.1 玻璃钢夹砂管道材料的强度与刚度设计参数2.2 玻璃钢夹砂管道材料设计方法简介2.3 原材料选择及性能2.4 玻璃钢夹砂管道管体刚度计算机设计2.5 玻璃钢夹砂管道管体强度计算机设计2.6 玻璃钢夹砂管道承口计算机设计2.7 玻璃钢夹砂管道插口计算机设计第 3 章 玻璃钢夹砂管道结构校核计算3.1 强度计算3.2 刚度计算3.3 挠曲变形计算3.4 环弯曲计算
2、3.5 内压应变计算3.6 外压稳定计算3.7 抗震计算第 4 章 关于玻璃钢夹砂管道接头设计4.1 承口、插口刚度设计4.2 承口、插口强度设计4.3 密封圈选型以及相关压缩参数设计4.4 管道接口结构尺寸设计4.5 管接头的偏转角分析4.5 管接头的热胀冷缩的伸缩量的影响第 5 章 玻璃钢夹砂管道的防渗措施5.1 管体抗渗漏措施5.2 管接头抗渗措施5.3 在坡度下埋设条件下防止管道脱节的措施- 3 -5.4 两种试压孔设计方案防渗措施比较第 6 章 玻璃钢夹砂管道设计成果6.1 玻璃钢夹砂管道设计结果62 玻璃钢夹砂管道的基本性能63 结构尺寸图第 7 章 管道检验、安装、运输及储存说明
3、7.1 玻璃钢管道的检验7.2 管材、管件的包装与堆放73 玻璃钢夹砂管道的运输附录图管道结构尺寸图管接头设计图管道安装图接口连接打压示意图- 4 -概 述本设计书是依据新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局和新疆水利水电勘测设计研究院，提供的引额济乌一期一步工程小洼槽倒虹吸玻璃钢管道工程的设计条件和技术要求进行设计的。本设计书引用的标准和规范规程是：2. JC/T8381998 玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管；3. CJ/T30791998 玻璃纤维增强塑料夹砂管；4. HG/T30911997 给排水管道用的橡胶密封圈胶料；5. GB57491994 生活饮用水卫生标准；6. GB/T
4、131151991 食品容器及包装材料用不饱和聚脂树脂及其玻璃钢制品卫生标准；7. GB/T172191998 生活饮用水卫生输配水设备及防护材料的安全评价标准；8. GB502681997 给水排水管道工程施工及验收规程；其他相关规范规程2. CECS 玻璃钢夹砂管道施工及验收规程（中国工程建设标准化协会） ；3. ASTMD383989- 5 -第 1 章 设计条件与设计参数分析1.1 设计条件根据新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局和新疆水利水电勘测设计研究院提供的设计条件，该工程使用两根玻璃钢夹砂管采用单管单沟沟埋式，单管全长5.345km,内径为 3100mm，最大静水压力为 0.4
5、6MPa,采用玻璃钢夹砂管道。双管设计流量为 30.5m3/s，加大流量为 35 m3/s。1.1.1 地质主要参数小洼槽位于顶山隧洞南侧，呈 NWW 向分布，总长约 50km，宽 3-8km，倒虹吸穿越宽 5.2km。总地势由南东向北西倾斜，倒虹吸通过处，洼地两岸高程 579m，沟底高程 549m，相对高差 30m，洼地内发育几条宽 5-7m,深 1-5m 的冲沟，沟内有洪水流过的痕迹。洼槽沟底地形平坦开阔，南岸斜坡段地形坡度 5-15 度，沟底内发育有冲沟，冲沟与倒虹吸管近于正交，施工期有洪水的影响。该沟底普遍分布第四系冲洪积砂壤土，结构疏松，厚度在 1.0-1.5m；下伏基岩为第三系中新
6、统砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩互层，半胶结，砂岩遇水软化，泥岩遇水膨胀，失水干缩。该段强分化层厚 3-5m, 弱分化层厚 5-7m.其干密度：1.66g/cm 3；抗压强度为：（干）0.93MPa ；（天然）0.14MPa；抗剪强度（天然）：C85Kpa，=29 30;砂质泥岩的膨胀量为 16%，膨胀力为 17.6KPa，属于中强膨胀岩；洼漕沟底分布有潜水，地下水位埋深： 17.85 米；地下水中含有硫酸根离子，含量 417mgL，对普通混凝土具有硫酸盐中等腐蚀性。1.1.2 本工程玻璃钢管道定义：缠绕增强热固性树脂加砂压力管公称直径 DN3100（内径）工作压力 0.46MPa刚度 SN7500
7、管道单根长度 12m1.1.3 玻璃钢夹砂管道设计条件1 管道尺寸要求管道公称直径：DN3100管道长度：12000mm(有效长度)- 6 -2 管道工作要求连接方式：承插双“0”形密封圈连接工作压力 Pw： PN0.46MPa波动压力 PS：0.4P W=0.184MPa管道真空压力 PV：0.1MPa管道工作温度及范围：输水期为 410 月共 7 个月，气温范围为 540，平均使用气温 25。 （当地全年气温情况参见气象资料）输送介质：淡水原水埋设深度：最大覆土深度 4m，最小覆度深度 2m（按不利组合考虑） 。地下水位：埋深 17m 以下。地表荷载 PL：按汽 20 级汽车及挂 100
8、车辆考虑。临时堆土荷载：考虑施工临时堆土荷载，取 10000Pa，对临时堆土荷载和地表动荷载，收两者中之大者进行设计。最大允许长期垂直桡曲变形量：3%地震烈度：6 度管沟槽填筑及回填：参见技术条款第 4 章，填筑及同填材料颗粒组成及物理力学指标根据地质资料确定，参见附件地质 C28、C30 号料场资料。管道刚度等级：7500N/m 2接头刚度：25000 N/m 2，承口和插口刚度应一致强度安全系数：6管沟槽回填：管基铺设 300mm 的砂砾石垫层，砂砾石垫层填筑容重 1.9tm 3管腔填筑（指管底到管顶以上 300mm）：采用当地的风化砂岩，其填筑容重为1.67tm 3管顶以上回填：采用当地
9、的材料回填，其填筑容重为 1.61.75t m 3回填颗粒组成及物理力学指标详见设计院提供的地质资料1.2 设计参数1.2.1 基本设计参数 依据新疆额尔齐斯河流域开发管理局、新疆水利水电勘测设计研究院提供的小洼- 7 -槽倒虹吸工程玻璃钢夹砂压力管设计条件和设计技术要求，首先可确定如下基本设计参数：管道直径 D：3100mm；覆土深度 H：最大覆土厚度 4 米；最小覆土深度 2 米；地下水位标高 Hw：不计；最大允许长期垂直挠曲变形量： =3%；DY强度安全系数 K：6稳定安全系数 Kb: 2.51.2.2 土壤参数分析玻璃钢夹砂管道埋入地下后，将与土壤相互作用。特别是玻璃钢夹砂管道的变形、
10、弯曲应力、稳定性，均受到土壤地质状况、埋设施工质量的重要影响。地下埋设玻璃钢夹砂管道刚度与稳定性的分析是建立以管-土相互作用体系为计算理论模型的。因此，依据所提供的地质状况、以及施工质量的合理估计，正确选取合理的土壤参数，是本设计的关键问题之一。1、原土土组确定依据设计院提供的顶山-吉拉沟明渠段填方料场物理力学指标汇总表及顶山-吉拉沟明渠段填方料场平均颗粒组成表分析，小洼槽段（C28 料场）土组颗粒组成为：粒径0.075mm 的土颗粒（即粗粒土）含量约占 79， 0.075mm 的细粒上含量约为 21（根据 C10、C12、C14、C15 料场的 0.050.5mm 的颗粒组成，按其中0.07
11、50.5mm 与 0.050.075mm 的最小比例及分析 C28 料场中有0.05mm 的颗粒，可以计算推出） ，根据国标 GBJ14590 土壤分类标准进行分类，该类土为粗粒土，属SM，SC 或 SMSC 之间的粉粒砂或粘粒砂，细粒土含量大于 15。根据设计院提供的土壤物理力学指标分析，可以确定出其原土反作用模量 E a 值为 20.7MPa。分析如下：上述土组在天然状态下的干密度为（ 1.681.77/1.72 ）g/cm3，而在击实状态下的最大干密度为（1.73-1.92/1.82）gcm 3，由此可以计算出其- 8 -标准葡氏密度平均值为 94.5，最低值为 87.5，根据中华人民共
12、和国建材行业标准玻璃纤维缠绕增强热固性树脂夹砂压力管 （JCT8381998）中表 D8 施工现场原土土壤进行分类，该土组属状态描述为轻微压实或压实类，为安全计取轻微压实状态，故取原土反作用模量 E a 值为 20.7MPa。2、 回填土土组确定按设计要求管沟胸腔回填时施工夯填土壤干容重达到 1.67/m3，而在击实状态下的最大干密度为（1.73-1.92/1.82）g/cm 3,由此可以计算出其标准葡氏密度平均值为91.7，最低值为 87，根据 JC/T838-1998 标准中表 D-7 管区回填土的土壤反作用模量 Eb 值为 6.9MPa。由于土壤中细粒土含量无法准确确定，故为安全计取标准
13、值的70，E b 取 4.83Mpa。3、 其它土壤参数确定1）土壤反作用组合模量土壤反作用组合模量值的确定与管道起拱线处沟槽宽度、原土回填土及作用模量有关，计算过程如下：管道起拱线处沟槽宽度 Bd：依据建设管理局提供的设计技术要求附图可计算得：Bd5.2(1.85+0.3)20.57.35m则有 3.216.57Dd而 285.43.720baE依据 JCT8381998 标准中表 D5 土壤支撑组合系数，选取 Sc=1.40，通过下式可计算得土壤反作用组合模量ES cEb1.44.836.762MPa 2）管顶覆土容重根据建设管理局提供的设计技术要求，管顶填筑干容重为 1.61.75t/m
14、 3，含水率为 3.68-4.77，按最不利计算考虑，则有管顶覆土容重 1.80t/m 3。- 9 -3）基床系数基床系数 Kx 反映管底部土壤提供的支撑情况，其上分布着管床的反作用。考虑一种不利情形，选用标准的直接埋设玻璃钢夹砂管道条件，依据JC/T838-1998 标准，取 Kx=0.1。4）形状系数形状系数与玻璃钢夹砂管道挠曲产生的弯曲应力或应变有关，是管体刚度、管区回填材料、压实程度、管下三角支撑条件、原土壤条件和挠曲程度的函数。依据JCT838 1998标准表 D-1 管区回填材料和压实程度，现分析如下：由于标准葡氏密度平均值为 91.7，最低值为 87，依据插值方法:（D f-4.
15、5）(7500-5000)=( D f -5.5)(7500-10000)可以推算得得形状系数 Df=5.0。5）挠曲滞后系数挠曲滞后系数的作用是考虑管道变形的蠕变效应。即一定的载荷作用时，变形随时间的增加变化。长期（50 年）挠曲值相对于初始挠曲值要大，因此在推算管道长期挠曲预测计算时，依据JC/T838-1998标准，取 DL=1.5。1.2.3 设计载荷设计载荷的组成因素为：内压、负压、管垂直静土压载荷、地面车辆活载荷、堆土载荷、 。同时还必须将这些载荷因素进行组合，以确定最不利载荷作为设计外载荷。1、内压取最大工作水压力为设计内压力，即 Pw=0.46MPa;压力等级取：P c=0.4
16、6MPa；波动压力 Ps=0.184MPa；2、负压真空负压 P ：0.1MPa；3、垂直静土压垂直静土压主要指管道垂直正上方土体的重量载荷，即：qc gH- 10 -表 1 静土压力H(m) 2 3 4qc 35280 52920 705604、 管顶车辆活载荷1）汽-20 级车载荷根据中华人民共和国行业标准公路工程技术标准 JTJ 001-97 ，汽-20 级分为200kN 和 300kN 两种，取汽-20-300kN。其后轴压力为：2120KN，表示有两个后轴、4 个后车轮，共计 240kN 的压力。后轮着地宽度为 0.6m*0.2m，两后轴净中心间距1.4m，后轮中心间距 1.8m。此
17、外考虑两辆车之间的中心间距 1.3m。依据中华人民共和国国家标准给水排水工程结构设计规范,由于此管径较大，考虑两辆汽-20 车共同作用下的情形，其计算公式为：车辆荷载的动力系数 d=1.0两根后轴同时作用的轮压数 n=4 个一辆车的后轴数 n1=2 根并排汽车数 n2=1 或 2单轮载 P=60000 N自地面至计算深度的距离 Z=Hcm车轮与地面的接触宽度 b=0.60m相邻两个轮压间的中心间距 d1=1.80 m两车之间相邻两个轮压间的中心间距 d2=1.2m 112 )4.)(*4.( nini DL ZdbZdaPnq- 11 -车轮与地面的接触长度 a=0.20m相邻两后轴轮压间的中
18、心间距 d1=1.4m表 2： 仅考虑一辆车H(m) 2 3 4qL(N) 10490 6270 4167表 3： 考虑两辆车作用H(m) 2 3 4qL(N) 11782 7722 54862）挂-100 车载荷根据中华人民共和国行业标准公路工程技术标准 JTJ 001-97 ，挂-100 平板挂车后轴（双轴）压力为 500KN，表示有两个后轴、8 个后车轮，共计 500kN 的压力。后轮着地宽度为 0.5m*0.2m，两后轴中心间距 1.2m，后轮中心间距 0.9 米。将下列参数代入上述计算公式：车辆荷载的动力系数 d=1.0两根后轴同时作用的轮压数 n=8 个一辆车的后轴数 n1=2 根
19、轮载 P=62500 N自地面至计算深度的距离 Z=Hcm车轮与地面的接触宽度 b=0.50m相邻两个轮压间的中心间距 d1=0.90 m 11 )4.)(*4.( nini DL ZdbZdaPnq- 12 -车轮与地面的接触长度 a=0.20m相邻两后轴轮压间的中心间距 d1=1.2m计算结果见表 4.表 4 挂-100 车载荷H(m) 2 3 4qL(N) 19841 12065 81175、 临时堆土载荷根据建设管理局提供的设计技术要求，q u=10000Pa6、组合不利载荷确定1） 考虑由外载荷静土压、汽车载荷或临时堆土载荷进行组合的外载荷：表 5 组合的外载荷H(m) 2 3 4静
20、土压 qc(N) 35280 52920 70560汽车载荷 qL(N) 19841 12065 8117临时堆土 qu(N) 10000 10000 10000qc+ qL(N) 55121 64985 78677qc+ qu(N) 45280 62920 80560表 5 中的组合载荷中最不利载荷是 80560Pa;在进行刚度分析时的最不利的载荷是：80.560kPa;2) 稳定性计算的不利载荷在进行稳定性计算时，应考虑静土压力和真空负压或汽车载荷的组合（ qc+ qL） max=78677Pa（ qc+ qv） max=170560Pa- 13 -第 2 章 玻璃钢夹砂管的材料设计及材料
21、性能参数2.1 玻璃钢夹砂管道材料的强度与刚度设计参数根据发包方所提供的技术条款，对于玻璃钢夹砂管道，有两个最关键的有关材料设计的参数，即：管道强度与管道刚度参数。2.1.1 最低强度设计参数根据设计条件，管道的压力等级为 0.46MPa，依据JC/T838-1998标准，则其管壁最低环向抗拉强度为：Fhb = /mkNDPsc 42781.34602采用插值法,其最低轴向抗拉强度约为：FLb=515kN/m因此，按照上述分析，DN3100 玻璃钢夹砂管道管壁的材料强度性能应该至少满足上述要求。2.1.2 刚度设计参数管道刚度等级：7500N/m 2接头刚度：25000 N/m 2，承口和插口
22、刚度应一致2.2 玻璃钢夹砂管道材料设计方法简介我公司的玻璃钢夹砂管道材料设计的主要方法是：通过引进国外先进的计算机数值模拟设计系统，依据本公司的生产技术装备、工艺、以及所采用的原材料，在计算机上进行铺层设计并进行模拟生产（建模） ，并对模拟的玻璃钢夹砂管道产品在计算机上，按照国家有关玻璃钢夹砂管道强度和刚度实验规范，在计算机上进行模拟实验；- 14 -根据模拟实验结构结果，对计算机铺层设计、工艺参数等进行修正；循环以上过程，以获得优化的理论设计结果；然后进行样管生产并进行实验，依据实验结果对设计和工艺进行局部调整。玻璃钢夹砂管道材料主要设计过程见图 1。玻璃钢夹砂管道材料主要设计过程程序框图
23、输入管道设计条件参数：DN, L, Pw,SN,输入工艺参数 输入原材料性能参数 输入材料设计参数 计算机模拟缠绕（建模）计算机模拟实验平压挠曲实验内压强度实验轴向拉伸实验是否满足设计条件参数实验数据处理结束yesNo- 15 -图 1 设计方法程序框图2.3 原材料选择及性能2.3.1 增强材料：玻璃纤维表面毡：无碱，面积质量 30g/m2玻璃纤维短切原丝毡：无碱，面积质量 300g/m2针织毡：无碱，面积质量 450g/m2缠绕纱：无碱玻璃纤维直接无捻粗纱，4800TEX，2400TEX石英砂：化学成分SiO295%；CaCO 37500pa，满足设计刚度要求，- 24 -3.3 挠曲变形
24、计算3.3.1 径向长期挠曲变形按下式计算： ,3061.8)061.)( ESTIFkqDREIKqDY xLcLxLcL （ 72.6.794.*8)51( =0.0243=2.43% ,%3DYa满足设计要求。3.3.2 当有最不利组合载荷时径向安装挠曲变形控制值按下式计算： ,061.8)ESTIFkqDYxLc（ 762794.0*)5(=0.0169=1.69% 结论 ： 当有临时载荷 10000Pa+4m 静土压的最不利组合载荷时，径向安装挠曲变形控制值1.7%.3.3.3 当有最不利静土压力载荷时径向安装挠曲变形控制值按下式计算： ,061.8)ESTIFkqDYxLcL（ 7
25、62794.0*5=0.0148=1.48% 结论： 当有最不利静土压(4m 深)载荷时，径向安装挠曲变形控制值 1.5%3.3.4 在最不利载荷下的计算机数值模拟计算分析土壤参数见下表：- 25 -表 6 土壤参数土壤名称 砂砾石 风化砂岩 风化砂岩 普通回填土 原土位置区域 管道基础垫层 管身 1/3 以下 管身 2/3 以下 管顶以上 原土区容重（Kg/m 3） 1900 1750 1750 1670 1840土壤反作用模量（Mpa）20.7 4.8 38 2.8 20.7泊松比 0.25 0.3 0.3 0.30 0.3内粘聚力（kpa） 0 2 2 2 5内摩擦角 40 28 28
26、28 36膨胀角 0 0 0 0 0- 26 -图 11 管体受最不利载荷时计算模型图图 12 管体受最不利载荷时整体垂直位移图图 13 管体在土中的垂直位移- 27 -从图中可以看出 =0.017=1.7%1.302476-0.856DY3.4 环弯曲计算0DtYafb=0.002755=2.755.3158053.5 内压应变计算根据计算机模拟设计结果，得知管壁总体环向拉伸弹性模量为：10.363GPa. 则有：58103624.0LprtEPD=0.00121=1.213.6 外压稳定计算在正常安装条件下的管道，通过下式计算屈曲外压 3021DEIBRFSqWcr 750124.7.56
27、=0.3100Mpa式中：Rw水的浮力系数 0.1301HwWB弹性支撑系数- 28 -370.41213.0HeBFS外压稳定安全系数， 2.5 标准安装条件屈曲要求如下： wHw+Rwqc+qvq c则有0.010.0+1.000.0706+0.1=0.17060.321其稳定安全系数为：4.7 倍。考虑外部动载荷或临时堆土载荷条件屈曲要求如下： wHw+Rwqc+qv qcr则有0.010.0+1.000.071+0.1=0.0810.3100满足外压稳定要求。另，通过有限元的稳定计算分析如下：首先施加最不利外压载荷 0.1706MPa， 当该载荷乘子为 4.03 时，即外压为：0.68
28、752MPa 时，管道产生屈曲。其稳定安全系数为 4.03，比公式计算的安全值（4.7）稍小。- 29 -图 14 玻璃钢夹砂管道失稳波形图3.7 抗震计算3.7.1 轴向应力分析在地震纵波作用下对玻璃钢夹砂管产生轴向应力,其计算公式为： LpEVKgT2max其中： max：地震时管道的轴向应力；K： 地震系数，这里考虑 7 级地震，按照规范应取 0.1；g: 重力加速度，这里取 9.8m/s2T：卓越周期，为安全计，查表取 0.2 sVp: 纵波传播速度，依据新疆水利水电勘测设计研究院提供的参数，为安全起见取500 m/s；EL: 弹性模量,这里取 7.6 GPa计算的结果，轴向应力 L为
29、 0.4735Mpa；本设计的轴向强度为 16.6 Mpa（962kN/m）安全系数为 35, 远满足强度要求。3.7.2 剪切应力分析在地震横波作用下对玻璃钢夹砂管产生剪切应力,这种应力对玻璃钢夹砂管道比轴向应力的影响要大得多。其计算公式为： LTsGVKg2max其中： max：地震时管道的轴向应力；K：地震系数，这里考虑 7 级地震，按照规范应取 0.1；g: 重力加速度，这里取 9.8m/s2- 30 -T：卓越周期，为安全计，查表取 0.2 sVp: 横波传播速度，依据新疆水利水电勘测设计研究院提供的参数，为安全起见取250m/s；按照规范，V S 取值为：VS=0.5 Vp=125m/sGLT: 剪切弹性模量,这里取 6.7 12GPa计算的结果，环向剪切应力为 1.67Mpa；本设计的环向剪切强度为 18.5 Mpa安全系数为 11.6,安全系数足够。3.8 结论根据上述强度、刚度、挠曲变形、弯曲强度、稳定性分析、地震强度分析等计算、分析与校核，本设计各项性能指标全部达到国家有关玻璃钢夹砂管道标准要求。
