天津市华水自来水建设有限公司 天津 300122
摘要：本文首先分析了市政工程道路排水管道主要作用，接下来详细阐述了冻土特性，最后对埋地供水管道抗寒潮可靠度进行分析，希望通过本文的分析研究给行业内人士以借鉴和启发。
关键词：市政；埋地；供水管道；抗寒潮；可靠度；分析
引言
市政供水管道是维持城市正常生活生产的生命线。近年来，寒潮期全国各地爆管现象层出不穷。据统计，2016年1月19日到26日寒潮期间，上海DN500以上的大口径供水管道爆管;广东珠海市供水管道爆管;福建漳州市区供水管道破裂；福建泉州市供水管道爆裂。2008年1月26日到2月21日寒潮期间，广东珠海市出现持续低温天气，供水管道爆管;广东佛山市供水管道爆管事故频发，供水安全受到严重威胁。市政供水管道寒潮期爆管事故严重影响城市的正常运行和居民的日常生活，有必要研究市政供水管道抗寒潮可靠度，评估市政供水管道的运行安全风险。国内外学者在市政管道结构可靠度和风险评价方面做了大量的研究。值得指出的是，目前关于埋地供水管道抗寒潮可靠度的研究几乎还是空白。笔者针对寒潮期埋地供水管道的特点，开展了寒潮期市政供水管道应力分析。理论对寒潮期气温变化影响下管道的可靠度进行分析研究。
1市政工程道路排水管道主要作用
城市中的道路排水系统是整个现代化城市建设过程中不可或缺的重要基础设施，应用于城市水污染防治，防洪、排涝等工程项目之中。这一系统可以及时地收集并输送走城市日常生活、生产中所产生的各类污水及自然降水。因此，市政道路排水管道主要有两大作用；其一是可以及时收集并排除道路路面的积水与城市中产生的废水；其二是在汛期可以保障雨水的疏导工作顺畅进行。道路排水管道的施工是保障城市卫生环境的基础设施，可以满足人们日常生活中的多种需求，是城市发展过程中必不可少的一部分。
2冻土特性分析
（1）在测试深度条件下，土壤冻结时间与深度有较大关系，浅层土壤出现冻结现象较早，深层土壤则出现时间较晚，说明土壤具有蓄热性能，土壤内部温度场具有延迟效应。（2）土壤处于液固两相区时，其结冻速度明显放缓，水分充足的区域冻结现象明显。（3）土壤冻结导致管道受力不均匀出现发生扭曲变形现象，冻土融化后管道的受力逐渐消失，管道恢复原状或者部分恢复原状。实际中管道恢复会有一定时间的延迟，有些变形难以恢复形成永久性变形，数年后管道转弯、借口连接处就会因长期的受力不均匀为断裂。
3埋地供水管道抗寒潮可靠度计算方法
管道材质不同，参数也不同，本文以钢管为例。根据GB50032－2002《给水排水工程管道结构设计规范》(以下简称《规范》)和CECS141－2002《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》(以下简称《规程》)相关规定，采用以概率理论为基础的极限状态进行计算，钢管管道结构按承载能力进行计算时，结构上的各项作用均采用设计值。
3.1寒潮期市政埋地供水管道应力
对于市政埋地供水钢管，管道应力主要包含环向应力和纵向应力。由Mises失效准则，钢管管壁截面的最大组合折算应力，可按下式计算:
式中，σ为钢管管壁截面的最大组合折算应力;σθ为钢管管壁截面的最大环向应力;σx为钢管管壁截面的纵向应力。环向应力主要由供水管道内压、管道自重、地面交通荷载或堆积荷载、管道内水重、上覆土压力、环向泊松应力、冰冻应力(当气温达到零下时产生)等组成。纵向应力主要包括泊松应力、温度应力、不均匀沉降应力等。
3.2管道结构功能函数假设
σs表示管道材料的屈服强度，则供水管道的结构功能函数可以用下式(2)表示:
管道的失效概率即为结构功能函数小于零的概率。当结构功能函数为零时，管道处于极限状态。上述结构功能函数是以管道强度破坏的模式建立的，符合焊接钢质管道在寒潮期破坏的特点。
3.3寒潮期可靠度分析
1)寒潮期最低气温为0℃以上时，土体不出现结冰现象，因此不产生冰冻应力。计算可靠度时考虑的应力如下:对于环向应力，考虑供水管道内压产生的应力、管道自重产生的应力、地面交通荷载或堆积荷载(二者取最大值)产生的应力、管道内水重产生的应力、上覆土体产生的应力、环向泊松应力;对于纵向应力，考虑泊松应力、温度应力和不均匀沉降应力。为了更直观的展现管道在不同气温下的可靠度，本文以气温为变量，绘制管道可靠概率与气温的相关图像。由于管道的安装敷设多在夏季，因此取管道的安装温度为定值30℃。可以看出，随着气温的降低，供水管道的可靠概率呈现逐渐下降的趋势。当供水管道的安装温度与运行温度相同(即温差为0)时，管道的可靠概率为0．9917;当二者的温差为15℃时，管道可靠概率为0．8505。寒潮期最低气温为0℃以下时，土体出现结冰现象，因此还需要考虑(环向)冰冻应力。根据寒潮期市政供水管道应力分析，寒潮期最低气温为－9℃，土体产生冰冻应力，冰冻线位于供水管道上方。当供水管道的运行温度低至0℃以下时，管中水体结冰，管道破坏。为方便计算，当寒潮期最低气温为0℃以下时，供水管道的温度最低统一取为0℃。以0℃为节点分别对气温大于0℃和小于0℃的情况进行分析说明。气温为0℃以上时，不产生冰冻应力，随着气温的不断降低，供水管道的纵向温差应力和环向泊松应力不断增大，导致管道可靠概率逐渐降低;当气温低至0℃以下时，产生冰冻应力，随着气温的不断降低，供水管道环向冰冻应力和纵向泊松应力不断增加，供水管道可靠概率持续降低。另外，由于冰冻应力的原因，0℃成为管道可靠概率曲线的一个拐点。可以看出，寒潮期间，最低气温不同，供水管道的可靠概率也不同，当气温为－5℃时，管道的可靠概率为0．1506，当气温为－10℃时，管道的可靠概率为0．0485。因此，寒潮期的最低气温对供水管道可靠概率的影响很大，在进行埋地供水管道设计时考虑寒潮的影响是十分必要的。根据《规范》，当气温低至0℃以下时，管道应力不再增加，可靠概率不再随气温变化，为一个确定值。本文中管道安装温度为30℃，当气温小于等于0℃时，根据规程计算所得的管道可靠概率为0．5811，而根据寒潮期市政供水管道应力分析中的计算公式计算所得的可靠概率是随气温变化的，气温降低，冰冻应力不断增加，管道可靠概率不断变小，因此寒潮期计算管道可靠度时考虑冰冻应力是十分必要的。
结语
综上所述，寒潮期最低温度对供水管道可靠度的影响很大，最低温度不同，供水管道的可靠度不同。开展市政埋地供水管道设计时，考虑寒潮的影响是十分必要的。在开展市政埋地供水管道设计时，全面考虑影响管道可靠度的各种管道应力是非常必要的。
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论文作者:杨奕
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/9/10
标签：管道论文; 应力论文; 寒潮论文; 可靠论文; 概率论文; 气温论文; 市政论文; 《城镇建设》2019年第14期论文;