摘　要：針對塌陷區(qū)沉降對直埋熱水供熱管道的影響，對塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管道進行受力分析及穩(wěn)定性判定條件分析。推導(dǎo)塌陷區(qū)允許沉降量的計算式，對接近或達到允許沉降量時的安全措施進行了探討。

關(guān)鍵詞：塌陷斷裂帶??沉降??直埋熱水供熱管道??穩(wěn)定性??安全措施

Abstract：Aimed at the effect of settlement in subsidence area on buried hot-water heat-supply pipeline，the stress analysis and stability judgment analysisof buried hot-water heat-supply pipeline in subsidence rupture zone are performed．The calculation formula of allowable settlement in subsidence area is dedueed．The safety measures taken when approaching and reaching the allowable settlement are discussed．

Key words：subsidence rupture zone；settlement；buried hot-water heat-supply pipeline；stability；safety measures

河南省平頂山煤業(yè)集團的一礦、三礦、四礦、五礦、六礦、七礦、九礦、十一礦等礦井，距坑口電廠最遠也只有9km，特別是九礦與坑口電廠僅一墻之隔。在這片礦井密集區(qū)域內(nèi)，地下大面積被采空。煤炭行業(yè)把地下采過煤的區(qū)域稱為采空區(qū)。地下被采空，采空區(qū)上方的地面會逐步或突然沉降，采空區(qū)上方的區(qū)域稱為塌陷區(qū)。根據(jù)采煤厚度、采空區(qū)距地面的深度、采空區(qū)上方地質(zhì)構(gòu)造等情況，很難準(zhǔn)確預(yù)測塌陷區(qū)的塌陷時間或塌陷速度。若為這些礦井供熱，部分直埋供熱管道必然通過處于沉降過程中的塌陷區(qū)。在管道由非塌陷區(qū)進入塌陷區(qū)(或由塌陷區(qū)進入非塌陷區(qū))的過程中，塌陷斷裂帶兩側(cè)地面可能會逐步或突然形成落差^[1]。因此，研究塌陷區(qū)沉降對塌陷斷裂帶直埋供熱管道的影響，具有十分重要的意義。本文對塌陷斷裂帶直埋熱水供熱管道(以下簡稱管道)穩(wěn)定性判定與安全措施進行探討。

在正常情況下，管道自重(包括供熱介質(zhì)重量)加上部土壤重量等于管道下部土壤的支撐力，無論是有補償管道還是無補償管道，管道不會出現(xiàn)彎曲變形。然而，當(dāng)塌陷區(qū)發(fā)生沉降時，由于管道的連續(xù)性，塌陷斷裂帶的塌陷區(qū)一側(cè)部分管段將發(fā)生彎曲變形(見圖l)，并出現(xiàn)懸空現(xiàn)象，使得管道上部出現(xiàn)均布荷載，直至彎曲變形終止。當(dāng)塌陷區(qū)發(fā)生沉降時發(fā)生彎曲變形管段的受力分析見圖1。

?

圖中h——塌陷區(qū)地面沉降量，m

L——點A(塌陷斷裂帶所在位置)至點B(彎曲變形終止位置)的距離，m

M——點B處的彎矩，N·m

|——彎曲變形管道承受的均布荷載，N／m

發(fā)生彎曲變形管段AB承受的均布荷載廠的計算式為：

|=|1+|2????　　 　(1)

|2=rgDchs?????????(2)

式中|1——單位長度管道的自重(包括供熱介質(zhì)的重量)，N／m

|2——單位長度管道上方土壤重量，N／m

r——土壤密度，kg／m³

g——重力加速度，m／s²

Dc——預(yù)制直埋保溫管外殼的外直徑，m

hs——設(shè)計管頂覆土深度，m

點B處彎矩M的計算式為：、

?

式中E——鋼材的彈性模量，Pa

I——管段形心慣性矩，m⁴

Dout——鋼管的外直徑，m

Din——鋼管的內(nèi)直徑，m

點A至點B距離L的計算式為：

?

點A處管道截面承受彎曲應(yīng)力sA的計算式為：

?

式中sA——點A處管道截面承受的彎曲應(yīng)力，Pa

忽略由熱脹冷縮產(chǎn)生的二次應(yīng)力，彎曲變形管段的穩(wěn)定性判別式為：

?

式中sdf——彎曲應(yīng)力及由內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力，Pa

sny——內(nèi)壓產(chǎn)生的一次應(yīng)力，Pa

p——管道設(shè)計壓力，Pa

sall——鋼材在計算溫度下的基本許用應(yīng)力，Pa

式(7)可作為當(dāng)塌陷區(qū)地面出現(xiàn)沉降時，判定發(fā)生彎曲變形管段是否穩(wěn)定的判別式，也可作為計算塌陷區(qū)允許沉降量的計算式。

由式(7)可得到塌陷區(qū)允許沉降量hall的計算式為：

?

分別計算塌陷區(qū)為農(nóng)田、道路情況下的允許沉降量。農(nóng)田下土壤密度按1000kg／m³計算，路面下土壤密度按l450kg／m³計算。由于管道周圍及上部的砂可向懸空區(qū)流動，因此管道上部砂層的高度不計入覆土深度。砂層以上的覆土深度按0.5m計算，預(yù)制直埋保溫管的高密度聚乙烯外殼外直徑比鋼管外直徑大0.15m。

當(dāng)計算溫度為l30℃時，Q2351、Q2358鋼材的彈性模量E為2×10¹¹Pa，許用應(yīng)力sall為ll8.5×10⁶Pa。將以上已知數(shù)據(jù)代入式(8)，可得農(nóng)田、道路塌陷區(qū)允許沉降量ht,all、hL,all，的計算式分別為：

?

式中ht,all——農(nóng)田塌陷區(qū)允許沉降量，m

|t——農(nóng)田塌陷區(qū)發(fā)生彎曲變形管段承受的均布荷載，N／m

hL,all——道路塌陷區(qū)允許沉降量，m

|L——道路塌陷區(qū)發(fā)生彎曲變形管段承受的均布荷載，N／m

塌陷區(qū)為農(nóng)田時，發(fā)生彎曲變形管段承受的均布荷載．廠的計算式為：

|t=500g(Dout+0.15)+250gpD²in+3900gpDout(Dout-Din)????(11)