山區輸配水管道柔性接口鎮墩形式優化的探討

趙 娟

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 前言

目前我國鄉鎮用水點比較分散，輸配水管道的工程投資及工程量也相對較大，特別是在山區，由于坡高路險、地形起伏較大，修建輸配水管道時轉角較多，鎮墩數量也比較多，給鎮墩和管道的設計與施工帶來不少困難，施工過程中的建筑材料運輸也十分不便，加大了設計與施工的難度，因此優化鎮墩形式，減少建筑材料用量，提高混凝土利用率，對降低施工難度和工程造價都十分必要。

2 鎮墩和地基的穩定性及強度驗算

2.1 鎮墩穩定性及強度驗算

鎮墩穩定性驗算包括抗傾覆驗算和抗滑穩定驗算。穩定分析時，如全部作用力合力的作用點都不超出鎮墩基礎以外，就不會傾覆。一般情況下為了使地基受力均勻，都要求合力R的作用點在基礎底面的中三分點以內，故不必進行抗傾覆驗算只驗算抗滑穩定即可。

鎮墩強度驗算的方法主要有圖解法和數解法，可按照材料力學方法計算截面應力校核鎮墩強度，對于重力式鎮墩，主要是校核抗拉強度是否滿足要求。

2.2 地基穩定性及強度驗算

鎮墩建立在坡體上時，應按照土力學理論驗算坡體是否穩定。如果應用滑弧理論將空間問題轉化為平面問題進行演算，是比較保守的。

在鎮墩的設計過程中一般都會要求合力R對基礎底面形心的偏心距e≤L/6，因此地基的穩定性可以保證。地基強度驗算一般需驗算最大壓應力是否在地基允許承載能力范圍內。

與鎮墩密切相關的山區工程地質條件主要可分為兩類：一類是松散地層段，此段落內松散堆積層厚度較大，鎮墩基礎條件較差；另一類是基巖出露段或者基巖埋深較淺段，在此段落內鎮墩可直接修筑于基巖上或者清表后修建于基巖之上。以下分別就這兩類地質條件下的鎮墩形式優化進行了探討。

3 松散地層地基鎮墩形式的優化

能夠適用于松散地層地基的鎮墩形式較多，不過歸納起來都可總結為圖1的樣式，這種結構形式簡單，易于施工，在平原區應用較多，但地基應力及地基應力不均勻系數較大，且抗滑抗傾覆性能較差，混凝土利用率比較低，不能適應山區建筑材料運輸十分困難的環境，因此在山區修建鎮墩時需要對現有的鎮墩形式進行優化。

3.1 優化目的

提高混凝土利用率，降低建筑材料用量的同時保證鎮墩穩定性。

3.2 優化方法

為使鎮墩的結構更好的適應山區的建設環境，經過多方面的比較和探索，我們總結出一種新型的鎮墩結構形式，如圖2所示。

3.3 優化措施分析

（1）增加鎮墩底板。鎮墩抗滑阻力的主要因素之一是鎮墩與地基之間的摩阻力，增大鎮墩底板面積，鎮墩與地基之間的摩阻力可隨之增大。底板面積增大，同時可減小鎮墩的基底應力及其不均勻系數。

（2）擴展側墻面積。鎮墩抗滑阻力的另一主要因素是被動土壓力，擴展側墻面積，可以顯著增大鎮墩的抗滑阻力。設置合理的側墻高度不僅可以促使鎮墩保持平衡而且可以顯著地提高鎮墩的抗傾覆能力。

（3）新型鎮墩由主墩體、側墻和底板構成，應根據受力情況進行強度校核，若局部強度不夠，須配筋補強。

3.4 新型鎮墩安全穩定性分析

3.4.1 受力分析

柔性鎮墩在工作狀態下承受的荷載一般有：彎管外推力R、地基摩阻力F、被動土壓力E1、主動土壓力E2、垂直方向的總重力GZ（包括鎮墩自重、管重、水重、覆土重，地下水位高時應考慮浮力），以及地基反力Q，如圖3所示。

（1）彎管外推力分析。彎管外推力實際應由內水壓力、水流離心力、水流與管壁的摩擦力、溫度應力、承插口摩擦力等多種因素綜合產生。但對于管徑較大、內水壓力較大的地下埋管，溫度應力、水流與管壁的摩擦力、承插口摩擦力均較小，可忽略不計，此時管道的外推力R完全由內水壓力產生，并由鎮墩承受。角度為α的彎管外推力計算公式：

Po——最不利工況下的最大內水壓力；

D——管道內徑；

α——為彎管角度。

（2）鎮墩底面與地基的摩阻力F=μGZ，式中，μ為鎮墩與地基的摩擦系數。

（3）支墩一般會借助土體自身產生的抗力采用被動土壓力的原理進行設計，土壓力產生的抗滑阻力：T=E1-E2；

被動土壓力：

主動土壓力：

式中，h1——設計地面線距鎮墩頂面的高度；

h2——設計地面線距鎮墩底面的高度；

L——在垂直于外推力方向上鎮墩的投影長度；

φ——土壤的內摩擦角；

γ——土壤重力密度。

鎮墩設計過程中一般不考慮被動土壓力，其抗滑阻力計算原則為：參考被動土壓力原理的土抗力的計算方法。

計算公式為：T=Hbσ。

式中，b——作用力在鎮墩上的寬度；

H=h2－h1為土抗力在鎮墩上的高度；

據陜西多個工程經驗總結，一般情況，當H≤5m時，σ抗≈30kN/m2，當5m＜H≤10m時，σ抗≈30kN/m2～45kN/m2[5]。

由第2節的分析可知鎮墩穩定性計算主要需校核鎮墩抗滑穩定性。

如果抗滑穩定性滿足設計要求則：

其中k為抗滑安全系數。由分析過程可以證明側墻面積和底面積增大均能提高鎮墩的抗滑安全系數，反之可證明若安全系數要求相同，則可以降低鎮墩自重，減少材料用量，提高利用效率。

3.4.3 強度分析

由第2節的分析可知，地基強度計算主要驗算最大壓應力是否在地基允許承載能力范圍內。地基邊緣最大應力，最小應力若η，則滿足設計要求。其中A為鎮墩底板面積；M為各作用力對鎮墩底面形心的總彎矩；W為鎮墩底面的抗彎模量；[R]為地基最大容許應力；η為地基容許不均勻系數。

由分析過程可以證明底板面積增大能減小鎮墩地基的最大應力，降低不均勻系數，反之可證明若地基容許應力和不均勻系數要求不變，則可以降低鎮墩自重，減少材料用量，提高利用效率。

4 基巖地基鎮墩形式的優化

圖1 鎮墩樣式

圖2 鎮墩結構形式

當鎮墩修建于基巖之上時，合理的使用錨桿，利用錨桿抗拉強度、抗剪強度高的特點，將鎮墩形式優化為加錨桿鎮墩（如圖4），可以有效的提高材料利用效率，減少材料用量，降低施工難度。加錨桿鎮墩使用的首要條件是基巖出露好，巖石強度高。

圖3 柔性鎮墩工作狀態下承受的荷載

圖4 加錨桿鎮墩

加錨桿鎮墩的設計一般分為以下三個步驟：①按構造要求擬定鎮墩幾何尺寸。②校核鎮墩的穩定性。③若鎮墩穩定性滿足要求，則進行下一步設計；若鎮墩穩定性不滿足，加上錨桿重新設計，通過計算確定錨桿的長度和根數。若錨桿間距過小，可適當調整鎮墩尺寸。

由圖2可以看出，MoO3原料的費氏粒度相對普遍較大。結合圖1掃描電鏡照片看，MoO3原料粒度大是一種“假象” ，是由大量非常細小的(1 μm及以下)MoO3晶體顆粒聚集組成的團聚“假顆粒”。MoO2及Mo粉的顆粒又相對較小，且基本遵循MoO2粒度大、鉬粉粒度大的遺傳特性。工藝②所出鉬粉整體平均費氏粒度較工藝①小。

加錨桿鎮墩中，確定錨桿布置方式和用量非常重要，現介紹如下。

4.1 錨桿布置方式的確定

當鎮墩主要承受水平力時，錨桿的作用體現在以抗剪方式維持鎮墩穩定，錨桿宜沿垂直受力方向布置，如圖4中錨桿的布置形式。當鎮墩主要承受向上的合力時，錨桿的作用體現在以抗拉的形式保持鎮墩穩定，宜沿鎮墩所受合力的方向布置。

無論是抗剪或抗拉錨桿，均應根據鎮墩的受力方向和地形地質條件沿管道兩側對稱布置，確保鎮墩平衡受力。

4.2 錨桿用量的確定

根據鎮墩受力的大小、錨桿直徑、型號和巖石的堅硬程度確定錨桿長度和根數。計算公式如下：

（1）抗剪錨桿：n=4KFx/(πd2[τ])式中，n——錨桿根數；

K——鎮墩抗滑穩定安全系數；

Fx——鎮墩所受合力在水平方向的分力；

[τ]——錨桿允許抗剪強度；d為錨桿直徑。

（2）抗拉錨桿：n=KFy/N

其中Fy為鎮墩所受合力在垂直方向分力；N為單根受拉錨桿的錨固力，錨桿錨固力的確定需對以下三種力進行對比、取最小值：

①錨桿與砂漿的粘結力：N≤πdhτa

②基巖錨孔與砂漿的粘結力：N≤πdhτc

③錨桿的拉力：N≤A[σP]

式中，τa——錨桿與砂漿的粘結強度，一般取值為 0.20MPa～0.40MPa；

τc——基巖與砂漿的粘結強度；

σP——錨桿容許抗拉強度；

d——錨桿直徑；

h——錨固深度；

D——錨孔孔徑；

A——錨桿截面面積。

5 工程實例應用分析

5.1 松散地層地基鎮墩實例分析

某供水工程鎮墩設計基本條件為：鎮墩平面夾角90°、管段中心線與水平面夾角4°、管徑400mm、內水壓力1.0MPa、管頂覆土1.8m、覆土容重16.1kN/m3、土壤內摩擦角25°、鎮墩底與基礎間的摩擦系數0.35、地基承載力為100kPa。

在同等計算條件下按照圖1的傳統鎮墩形式進行設計計算，需要混凝土13.2m3，鋼筋184.8kg；按照圖2優化后的鎮墩形式進行設計計算，需要混凝土11.7m3，鋼筋175.56kg。經對比分析，優化后的鎮墩形式可以節省混凝土用量11.3%，節省鋼筋用量5%。

5.2 基巖地層地基鎮墩實例分析

某供水工程鎮墩設計基本條件為：鎮墩平面夾角60°、管徑400mm、內水壓力1.0MPa、管頂覆土 1.5 m、覆土容重 20kN/m3、鎮墩底與基礎間的摩擦系數0.6、地基承載力為150kPa。

在同等計算條件下按照傳統鎮墩形式進行設計計算，需要混凝土4.5m3，鋼筋63kg；按照優化后的鎮墩形式進行設計，增加φ16錨桿6根（L=1.5m），需要混凝土 3.53m3，鋼筋 63.61kg。經對比分析，優化后的鎮墩形式雖然鋼筋用量增加了0.97%，但可節省混凝土用量21.6%。

6 結論

通過對山區兩類常見地質條件下鎮墩形式優化進行探討，經工程實例分析，優化后的鎮墩形式能提高材料利用率，較好的適應山區的建設環境，緩解山區輸配水管道建設過程中建筑材料運輸困難的問題，可以有效的縮短施工工期，同時還可降低工程造價。陜西水利

[1]陳德華,李惠英,田文鐸等.倒虹吸管[M]．北京：中國水利水電出版社.

[2]李建鋒.鄉鎮供水輸配水管道設計中的若干問題[J]．江西水利科技.2000（3）.

[3]上海巾政工程設計院.給水排水設計手冊(第3冊)[M]． 北京：中國建筑工業出版社,1989.

[4]周云,趙海生,劉崇選.壓力水管鎮墩計算的探討[J]．水資源與水工程學報.2007（2）.

[5]咸陽市石頭河供水工程鎮墩計算書[M].2009.3.