大口径虹吸管道和水下哈夫连接在工程中应用

摘要：本文通过工程实例，介绍了大口径虹吸管道和水下哈夫连接的设计与施工技术及其优越性。
关键词：虹吸管系统 哈夫连接 堵水气囊 优缺点

1.项目简介

1.1 立项背景

广昌泵站是珠海市主城区的主力抽水泵站，丰水期时自磨刀门水道通过四根DN2000取水管取水，2001年4月竣工。平岗泵站咸期供水配套工程12标广昌泵站施工前池时，发现原有4根进水管在海堤到前池段变形严重，取水管周边一直存在透水现象，继而前池侧地面发生塌陷,通过潜水员勘查，发现管道断裂，断裂口错位。经专家分析原因，认为是多年来地面沉降、管顶覆土荷载大及原设计支撑桩间距过大所致。为保证前池土建按时建成，施工单位对进水管采用闸板、堵板封堵等临时措施、使平岗来水顺利到达泵站，通水运行成功。建成前池后，枯水期间抽取平岗来水影响水不大，但丰水期广昌泵站将无法直接从江中取水，也严重危及海堤安全，因此必须尽快对四根进水管进行处理修复。咸期应急工程完工通水后，我公司就马上会同设计院对进水管的修复进行研究，2007年1月12日在供水总五楼小会议室召开了“广昌泵站进水断管处理方案讨论会议。经多方案分析、比较及有关部门的评定，确定了本工程采用虹吸管设计方案。
鉴于断管处理挖深较大、专业性强、同时又是施工12标时发现的新情况，为加快改造处理，简化程序，争取汛期来临前修复完成该4根进水管，经市政府常务会议研究，广昌泵站原有四根进水管断裂处理并入咸期应急供水工程（平岗泵站咸期供水配套工程）12标内。

1.2 详细科学技术内容

1.2.1 进水管断裂现状：

广昌泵站进水管从取水头部底到旧前池长度为190米，取水口管中标高为-8.0米，出水口管中标高为-2.00米， 经专业潜水员进入取水管内勘查四根取水管现状，结果如下：
从旧前池端下潜勘查：
1.1#管在距旧前池边约28m处已破裂，管道变形严重，呈不规则状，管道上部至中部大致呈椭园状，下部呈平面状，管道上部变形但没有断裂，下部焊缝断裂错位约为20cm（二次勘查错位已增至40cm）
2.3#管在距旧前池约24m处有大量泥沙淤积，无法继续勘查，估计管道已经破裂,经在新前池内水下切割，清除管内泥沙后发现3#管距新前池14m处已破裂。破裂情况与1#管相似，采取水下连接盲板的方法封堵。
3.新前池内2#、4#管已安装闸板，

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但止水效果一直不好。2007年1月3日，4#管距新前池15m处发生塌陷，4#闸板漏水更为严重，估计4#管也已破裂。
从取水头部端下潜勘查：
1.1＃管取水头部管底有1.0m厚淤积泥沙，进入管道140m处管道完好无变形。140m至150m处管顶变形，管道上下方向的垂直净距约为1.70m，管道左右方向的水平净距约为

2.30m，150m处泥沙淤积满管，无法继续勘查。

2.2＃管取水头部管底有0.8m厚淤积泥沙，进入管道130m处管底有少量泥沙淤积，140m处有木板及石头，此140m管道完好无变形。145m至160m处管底变形，管道上下方向的垂直净距约为

1.80m，管道左右方向的水平净距约为2.20m，170m处管底有块状砼。

3.3＃管取水头部管底有0.7m厚淤积泥沙，进入管道60m处泥沙已淤积满管，此60m管道完好无变形。
4.4＃管取水头部管底有0.8m厚淤积泥沙，进入管道50m处时，泥沙已淤积满管，此50m管道完好无变形。
根据以上勘查情况，确定四根取水管道严重变形及局部断裂。

1.2.2 虹吸修复方案的确定：

广昌泵站是主城区和澳门两地供水的主力泵站，现状有两管路来水，分别是从四根DN2000从磨刀门水道吸水的管道，和从平岗泵站或裕洲泵站来水的DN3000管道，两管路均进入新前池后，经配水后供主城区及澳门。四条进水管从磨刀门水道直接取水，距离最短，最直接，在丰水期时段是泵站非咸期最经济、最安全的来水管路，取水管道严重变形及局部断裂，将严重影响珠澳两地的供水安全，必须尽快恢复。在方案阶段我们就邀请了国内多名水下管道连接方面的专家，召开多次论证会，对以下几种可行的过较可行的三种处理方案专门研讨：
（1）大开挖修复方案：通过大开挖施工，将原有四根DN2000进水管从断裂处到新前池之间的管段挖出，换成新钢管，管道高程与原来保持一致，工程造价估算约1900万。优点: 挖出四条旧管，重装四条新管，彻底恢复原有供水系统。缺点：1. 对河堤岸及河床进行大面积深开挖，工程量巨大。2. 工程造价估算约1900万，费用高昂。3. 工期会成倍延长，不满足泵站取水的需要，对生产影响最大。

4. 汛期破堤施工，防洪对航运等均有不利影响。

（2）前池顶管修复方案：利用灌浆技术，将断管修复范围内土体及断管固结为一体，再利用前池作后背支座，顶管至完好管段相碰后，通过管内作业，可以与原管道连接，工程造价估算约1700万。优点：顶管与原有管道连接，能恢复原有供水系统。。缺点：1. 施工难度大，风险高。2. 前池需特别处理加固，对生产影响大，工期长。

3. 工程造价估算约1700万，费用大。。

（3）采用虹吸钢管。已断裂管道废弃，从海堤外处至新前池之间改用浅埋管道与原来状况良好部分管道连接，采用虹吸方式运行，工程造价约1000万。优点：1. 工程量较小，可实施性较强，抬高进水管后能彻底解决安全隐患，且发生问题可以陆上开挖处理。2. 在时间上可以满足泵站取水的需要，对生产影响最小。3. 工程造价约1000万。最节省投资。缺点：1. 运行相对复杂，我公司尚没有大口径虹吸管道的运行经验。2. 前池与取水点，有水位差。
由于虹吸管道仅在连接处局部深开挖到原管位，通过之字管弯，大大减少在岸上部分开挖方量，节省投资，在时间上可以满足泵站取水的需要，有十分明显优势。为慎重起见，刘万里总工带头，到大管径虹吸管在实际运行的工程进行调研、考察大管径虹吸管实际运行情况，整个方案决策过程 ，召开三次专家论证会，请来国内多名水下管道连接方面的专家把关，经以上多方案分析、比较及有关部门的评定，确定采用虹吸管设计方案，即将已断裂管道废弃，从海堤外侧约35m处至新前池之间改用浅埋管道与原来状况良好部分管道连接，采用虹吸方式运行。

1.

2.3 虹吸修复方案的主要内容：

广昌泵站进水管道修复工程主要内容包括： ⑴对原进水管进行水下清淤。
⑵虹吸管管道沟槽的开挖及海堤段地基处理。
⑶现状原水管道水下切割、水下封堵、废弃管道部分的充填
⑷新旧管水下连接。
⑸前池原有穿墙套管孔洞封堵。
⑹新穿墙套管的开凿成孔。
⑺岸上管道及设备的安装。
⑻真空系统安装连接及调试。

2. 针对断管处理难题的设计和施工措施

广昌泵站进水管道修复工程（虹吸管道方案）是公司取水方式的一个里程碑式的突破，该方案彻底解决了已存在安全隐患，节约投资约700万元，分别在以下四个大方面难点，作出四个创新，分述如下：
2.1 广昌泵站虹吸管道是目前所知国内最大的虹吸管系统，虹吸管道的可靠性、密封性处理均经多次论证最后确定。
广昌泵站四根进水管取水口管中标高为-8.0米，出水口管中标高为-2.00米，原广昌泵站施工时采用大开挖方式施工，挖深大，时间长。虹吸管道仅在连接处局部深开挖到原管位，通过之字管弯，大大减少在岸上部分开挖方量，节省投资，在时间上可以满足泵站取水的需要，有十分明显优势。另一方面大口径虹吸管道的应用尚没经验，如何保证管道的密封性，如何确保其运行可靠性就是关键。
水下管道密封连接经讨论确定采用哈夫接头，有一定柔性；对于岸上连接部分，为使改造后的管道

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保持严密性、减少管道的沉降是其有效保证措施。由于本段海堤及新建前池部分填土已加载十余年，填土下均设有塑料排水板，该部分地层的沉降已基本完成，考虑到原来断管可能对周围地层冲刷及前池施工时，断管处塌方后回填的土体较松散，因此，浅层地基采用花管灌浆方式对新建管道的地基进行处理，以尽量减少管道的沉降。
经进一步分析，讨论，我方与设计院就可靠性、密封性处理确定采取以下措施：
（1） 岸上管道高程在满足工程实施性情况下，尽量降低虹吸管标高，由原定的0.5米，降为0.0米，使管道在一般汛期情况下可以自流，加大了汛期运行的保障（该取水管咸期不运行）
（2） 查取水口处西江最低水位，计算确定了进水喇叭口可满足真空度需要。
（3） 在原来断管情况报告基础上，请潜水员摸清了从取水头到断裂处的情况，并编制成成果及绘制成图，设计院进一步考虑优化了虹吸管的接头位置。
（4） 根据断裂管处理及封堵板情况，管道与新前池连接时，直穿方案或局部下弯连接至原进水方案经比选，确定采取前者。
（5） 进一步核算管道损失，确定真空系统吸程。
（6） 确定了新前池原DN2000洞口封堵的做法，从安全的角度出发，明确要求先堵再开新洞。
（7） 管道外防腐采用环氧煤沥青加强级，内防腐采用无毒饮水仓。从后来割除的同一防腐标准的水下已埋管道来看，效果如新，防腐非常完好，验证了该防腐的可靠性。
（8） 充分利用前池管桩基础承载力好，在池顶上建真空系统，大大减少新建真空泵房基础费用

2.2 大口径管道水下哈夫连接是我公司水下管道连接方式的一个创新应用。

虹吸管道采用与同原管道口径，为DN2000管，水下大口径管道如何与原管道连接，并确保完好连接及气密性，是进水管道修复工程第二个攻关点。
经多方联系、沟通、研究，确定采用哈夫接头（卡箍）方法。
一般的哈夫节是常用管路抢修装置，抢修时只将两本体对合在漏水处拧紧螺母即可完成对管道的抢修。
本工程的难点一是大口径管道哈夫节的结构与制作，由于管径大，没有现成的哈夫接头，需按设计图哈夫接头。本工程中哈夫接头是由两片半圆状的卡箍组成，卡箍壁厚为16MM钢板。应特别说明的是，设计图是理想的已连接状哈夫接头，截面是标准的两个半圆，而实际按图加工制作完成后，为避免卡箍安装时将橡胶圈切断，需在现场二次加工成椭圆形。对每片卡箍的两侧采用吹焊加热方法，接头处受热变形，向外开翘，冷却，再加热，如此反复多次加工，可成椭圆形状，长边为2140MM,短边为2050MM。
哈夫接头写作完成后， 我工程技术人员对于连接细节亦作出了创新改进：
⑴为加强连接的可靠性，改用不锈钢螺栓；
⑵接头每端钢管橡胶圈由φ30改φ60mm，三道橡胶圈，增强密封性。
⑶卡箍接板处加强板由2块增加至5块，避免卡箍受力后钢度不够而变形。
⑷接板螺栓孔洞由圆形，改为双马蹄形，减少水下对穿螺栓的难度，增加可操作性。
难点二是水下连接技术，与一般的抢修哈夫接头，技术含量大大不同。对策是一是选择有专业施工经验的分包队伍，作好水下施工的各项准备。技术要求如下：
⑴开挖标高控制。
⑵采取措施保护原管道。
⑶确定卡箍连接位置。
⑷水下切割、拆除管道：切割缝应为三道；切割截面必须平直。
⑸管内清淤：潜水员进入管内用高压水将淤积泥沙冲散，采用高压真空抽沙泵同步抽沙。
⑹断管部分充填中粗砂：因断管部分不再利用，该部分采用中粗砂吹填后采用1:1水泥砂浆灌填密实。
⑺虹吸管水下基础：人工管基抛填1.20米厚块石粗平，抛填0.30米厚碎石找平细平；为保证作业空间，连接处的管道平直段基础待管道连接完成后再由潜水员搬运充填。
⑻之字形弯管制作、内外防腐、水压试验：连接处弯头角度和连接斜管长度均应根据现场测量出现状管位置及高程后确定
⑼水下哈夫连接、弯管安装：
对于水下哈夫连接，以3#取水管为例，介绍如下：
① 字形弯管单根安装长度为32米，重量约为32吨。安装采用两艘50吨吊船配合起吊的方法，设两个吊点；管卡连接处用30吨扒杆起重船起吊，设两个吊点。
② 管道吊装时应通过航道、海事部门对经过施工海域的船只限速，以免船速过快造成的涌浪，影响起重船施工作业。
③ 首先吊装3#弯管。用50吨起重船将弯管起吊放到海堤护坡处；潜水员水下安装三条橡胶圈，弯管下弯段安装三条橡胶圈；用30吨起重船将卡箍的半边悬吊在旧管管底；起重船就位，将弯管起吊后利用起重船挪位，用全站仪控制轴线使弯管就位。
④ 经潜水员水下检查弯管就位后，用钢丝绳将管底下的半边卡箍固定在连接处，再用30吨吊船将另外半边卡箍吊装在管顶上，然后用螺栓连接、紧固。上弯直管段用沙包堆垒加固。
⑤ 4#管施工流程及工艺与3#管相同。
⑥ 3#、4#管卡箍连接完成后，卡箍连接处的管道平直段基础由潜水员搬运充填密实。
⑦ 由驳船运载碎石、人工抛填稳管，碎石抛填至管中位置，管中以上位置由吸泥船吸取周边泥沙回填。
哈夫接头有一定的柔性，满足水下基础内的一定的沉降量，且哈夫接内有多条的橡胶圈密封，只要连接好，密封性是很有保证的。事实也证明，进水管道修复工程采用大口径管道水下哈夫连接是成功的。
2.3成功在高水头压力下成功实践水下气囊封堵洞口，该方法在本公司管道堵漏中有很好的推广发展前景。
由于考虑工期因素，施工单位对断裂的进水管采用闸板、堵板封堵等临时措施，保证新前池土建按时建成。在进水管修复工程中则综合考虑了管道断裂，工程量施工难易等情况，确定局部下弯连接至原进水方案，故新前池内原有四个管道洞口要封堵。施工时四根进水管在新前池封堵前情况分别如下：
① 1#管没有拆除，从新前池穿至旧前池
② 2#管安装了闸板、止水效果一般；
③ 3#管新前池内水下切割，已连接盲板；
④ 4#管安装了闸板、漏水严重。
经潜水员下潜，勘查，该处管道已变形成不规则的椭圆形，各洞口形状各不相同，鉴此，本工程确定采用水下气囊封堵，钢管道内沿前池壁焊接不规则堵板，止水后再按设计浇筑填实洞口方法。
这是一种橡胶充气堵水气囊，包括一个气囊体，在气囊体内引出气管，气管上设有球阀，所说的气囊体中部为圆柱形、两端为半圆形或椭圆形，且气囊体由内表层、中间层和外表层构成，所说的内、外表层为橡胶片、中间层为尼龙或棉线帘线，在气囊体的两端设置有拉杆、吊环。堵水气囊能自动适应漏洞或泄漏管道的大小和形状，并紧压漏洞或泄漏管道的壁，而将其堵住，满足四根进水管变形的情况。
工序：
① 气囊在现场需作压力试验，试验压力0.4MPa，为工作压力的2倍。
② 先打开新前池闸板，放水进池，使池内外水压力平衡。
③ 潜水员下潜，先将管道洞口至外江8米施工范围内的淤泥及内壁粘附物彻底清理，在内壁适当位置焊接数个钢筋勾。
④ 通过钢筋勾，反拉将放了气的气囊，慢慢从水中拖进的管道内到达塞堵位置。
⑤ 气囊充气，气囊的压力逐步升高致至0.2MPa，通过试抽水，由水位的下降速度可以计算出气囊气堵水效果。
⑥ 计算好水下封堵施工时间及抽水时间，采用大功率的抽水泵抽水，潮开始落时，使最危险的工序——堵板焊接在潮位最低时完成。

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