浅述室外给水球墨铸铁管道后背压力试验的设计验算与施工

浅述室外给水球墨铸铁管道后背压力试验的设计验算与施工

黄琦

华西集团四川省第十五建筑有限公司四川南充637000

摘要：随着经济的发展和社会的进步，给排水管道工程也取得了长足进步。在室外给水工程中，经常会用到水球墨铸铁管道，为增加管道使用寿命，确保给水工程长期发挥作用，有后背压力试验。本文对以室外给水球墨铸铁管道后背压力试验的设计验算与施工方式为内容进行研究，以期为相关工程提供理论指导。

关键词：室外给水；球墨铸铁管道；后背压力试验；设计验算；施工

一、引言

本工程为秦岭国家植物园植物迁地保护区给水工程，位于周至县集贤镇殿镇村东侧，北邻关中环线107省道。管道材质为球墨铸铁管，管道连接方式采用承插橡胶圈柔性接口，管径DN350，共280米，试验压力0.75MPa。

二、后背设计验算

（一）、后背受力计算

1、地质情况及后背支撑方式

根据本项目所处的地质情况为湿陷性黄土的土质情况，后背受力以原状土土壁为支撑面，后背支撑面必须平直，与管道轴线垂直。支撑后背的千斤顶的吨位，必须大于管道试压时作用于后背的压力。

2、计算原理

（1）帕斯卡定律：加在密闭液体上的压强，能够大小不变的被液体向各个方向传递。

（2）压强公式：P（压强）=F（压力）/S（面积）

3、作用于后背的力计算：

R=F-F1

其中F-----试验管段管端承受的压力

F1----承插口填料粘接力

F=P×S

其中P-----试验压力（即试验压强，帕斯卡Pa=牛顿N/平方米㎡）

本工程设计试验压力（试验压强）为：P=0.75MPa=750000Pa

本工程以DN350管道为例，管端后背的面积为：

S=3.14×0.175×0.175=0.096平方米㎡

故DN350管道试验管段，管端后背承受的压力

F=750000Pa（帕斯卡）×0.096㎡

=72kN（牛顿）=7200公斤=7.2吨

本工程采用胶圈柔性接口，不考虑承插口粘接力，故F1=0

故作用于后背的力R=F-F1=7.2吨－0=7.2吨。

（二）、千斤顶的选用

本工程选用的千斤顶吨位为50吨＞7.2吨，远远大于后背的力承受的压力7.2吨，符合要求。

（三）、后背的土体的宽度与厚度的确定

1、土质特性

经查看地质勘查资料，本工程为湿陷性黄土，其主要物性指标如下：天然容重一般为16.0~19.0KN/m³，本工程取18.0KN/m³；内摩擦角在15~30°之间，本工程取22°；黏聚力一般为20~60KPa，本工程按40KPa考虑。给水管道基槽的深度为1.5米，宽度1.5米。

2、计算原理

（1）郎肯土压力理论被动土压力公式

Ep=1/2*γ*h²*Kp+2*c*h*√Kp

Ep--------被动土压力（KN/m）

γ-------土的重力密度（本工程取18.0KN/m³）

h-------土壁深度（本工程为1.5m）

Kp------被动土压力系数，Kp=tan2（45°+ψ/2）=tan256°=2.2

ψ-------内摩擦角（本工程为22°）

c-------黏聚力（本工程为40KPa=40KN/㎡）

（2）被动土压力计算

故，Ep=1/2*18KN/m³*（1.5m）²*2.2+

2*40KN/㎡*1.5m*√2.2

Ep=1/2*18*2.25*2.2+2*40*1.5*1.48

=222.15KN/m

（3）后背土体的宽度计算公式：B≥1.2R/Ep

R-------作用于后背的力=72KN；

Ep-------被动土压力=222.15KN/m。

故，B≥0.4m。实际施工中，基槽实际宽度B=1.5米≥0.4m，符合要求。

（4）后背土体的厚度计算公式：L=√（R/B）+LR

L--------土体顺着管道后背方向的长度（m）

R-------作用于后背的力=72KN

B-------后背土体的宽度=1.2m

LR-------附加安全长度（m），砂土取2；亚砂土取1；粘土、亚粘土取0，因为本工程的黄土具有黏聚力，故LR=0。

故计算得：L=6.93m

本工程的后背施工土体厚度均在10米以上，符合要求。

（四）、钢板强度验算

1、计算条件

后背支撑作用面采用15mm厚钢板作为垫板，规格为1500×1000×15㎜，以200×200枕木（@≤300㎜）为龙骨，间距按300㎜计算。

由于后背作用力为R=72KN；故钢板的面荷载为72KN&pide;1.5m2=48KN/m2，取1m作为计算单元，其线荷载为g=48KN/m2×1m=48KN/m=48N/mm。

2、计算简图如下：（按等截面连续三等跨计算）

3、承载力计算

跨中最大弯距：M=0.08gl2=0.08×48×3002=3.46×105N.mm

式中0.08为弯距分配系数。

钢板截面抵抗距W=bh2/6=1000×152/6=3.75×104mm3

所以，钢板最大内应力σ=Mmax/W=3.46×105N.mm

&pide;3.75×104mm3=9.23N/mm2<[σ]=205N/mm2（Q235钢材的抗弯强度容许应力）。

故，经验算，后背15mm厚钢板强度符合要求。

（五）、本工程实际的后背支撑压力试验图

球墨铸铁给水管打压后背支撑示意图1、图2

三、水压试验施工

第一、试压准备及要求

1、水压试验设备、仪表

①采用弹簧压力计时，精度不低于1.5级，最大量程宜为试验压力的1.3～1.5倍，表壳的公称直径不宜小于150mm，使用前经校正并具有符合规定的检定证书。

②水泵、压力计应安装在试验段的两端部与管道轴线相垂直的支管上。

2、水压试验前准备工作

①试验管段所有敞口封闭，无渗漏水现象。

②试验管段不用闸阀做堵板，无消火栓、安全阀等附件。

③水压试验前清除管道内的杂物。

④水源直接由附近的田慧渠抽水灌水。

⑤后背采用厚度15mm的钢板。

⑥试压管段除接口外，填土至管顶以上50cm并夯实。做好后背及闸门、三通等管件加固。在管道拐弯处，应提前浇筑砼基础墩，以抵抗给水管压力试验时的压力，避免给水管移位。

3、浸泡时间

试验管段注满水后，在不大于工作压力条件下充分浸泡后，再进行水压试验，浸泡时间大于等于24h。

4、水压试验

①试验压力：本工程设计试验压力为：0.75MPa。

②预试验阶段：将管道内水压缓缓地升至试验压力并稳压30min。期间如有压力下降注水补压，但不高于试验压力；检查管道接口、配件等处有无漏水、损坏现象；有漏水、损坏现象时及时停止试压，查明原因并采取相应措施后重新试压。

③主试验阶段：停止注水补压，稳定10min；当10min后压力下降不超过0.03Mpa数值时，将试验压力降至工作压力并保持恒压30min，进行外观检查无漏水现象，水压试验合格。

④管道升压时，管道的气体排除；升压过程中，发现弹簧压力计表针摆动、不稳，且升压较慢时，重新排气后再升压。

⑤分级升压，每升一级应检查后背、支墩、管身及接口，无异常现象时再继续升压。

⑥水压试验过程中，后背顶撑、管道两端严禁站人。

四、安全注意事项

1.试压前，在试验范围内设置警戒区域，禁止闲杂人员进入，在吹扫排气口设立警示标志，任何人不准擅自拆除安全标志、警戒线；不准穿越、闯入警戒区域。所有试压用的设备、机具在试压前要进行充分的检查，确保无安全隐患，压力表应有合格证和检验报告；试压过程中，特别是升压时，人员不允许站在阀门、仪表等可能喷射出来的方向上；特别是管线两端的的封板处、后背、支撑等附近不得站人，检查应在停止升压时进行。

2.禁止在压力提高后立即进行检查以及对个别焊缝的敲打，禁止在有压的情况下进行修理工作；应待卸压后修补；压力试验的全过程中，非试压人员不允许动试压用的阀门、仪表，以及试压泵、空压机等设备；避免违规操作时出现安全事故。

3.管道试压前，管件应采取加固措施；管道试压时，密切观察各处封板（含法兰片部位）的变形情况，如有异常，应暂停试压，查明原因后进行整改。

五、结束语

秦岭国家植物园植物迁地保护区给水管道的水压试验，在经过前期我方从技术、材料、设备等各方面的充分准备，认真验算，仔细论证，施工中又严格按验算论证的要求和规范操作，取得了良好的效果。

参考文献：

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[2]郑行水.建筑工程给排水施工常见问题与优化对策[J].河南建材，2015，02：76-77.

[3]钟振生.建筑工程给排水施工常见问题与优化对策[J].科技致富向导，2015，02：119-224.