某引水式電站鎮墩結構分析計算

付月丹 張愛玲 付濤

【摘要】中小型引水式電站通常采用有壓長引水壓力管道進行輸水，并用鎮墩來支撐。鎮墩是引水式電站重要的水工建筑物，運行中鎮墩一旦出問題，將造成非常嚴重的后果。鎮墩的設計不僅要完成抗滑，抗傾覆、地基應力等的驗算，而且還要對其結構的合理性進行必要的論證。本文根據某電站輸水管線鎮墩設計要求，對鎮墩進行分析計算及結構優化，通過編程迭代擬定最小鎮墩。

【關鍵詞】鎮墩；水電站；抗滑；穩定

在水利水電工程中，針對引水式水電站，長有壓明鋼管布置輸送路線情況下，需設計鎮墩對其支撐。目前常用的規范設計是根據《小型水力發電站設計規范》、《水電站建筑物》等參考書，以經驗系數約束墩體體型，滿足安全穩定；也有些采用在常規平底鎮墩上加設抗滑齒坎，增加鎮墩的抗滑穩定性。本文采用迭代優化，對鎮墩體型進行結構設計，并驗證其安全穩定性問題。

1、鎮墩設計要求

輸水管線中，鎮墩的主要作用是利用自身的重力，承受由鋼管各個方向傳來的荷載，將管道固定在地基上，約束管道在鎮墩處的轉角和位移變化。規范中規定，管道轉彎處和管道直線長度大于150m，均應設置鎮墩用以固定和支撐管道。鎮墩在設計過程中，除了體型結構滿足要求，承受荷載以外，還需滿足：

1）抗滑穩定性要求：鎮墩在承受如內水壓力、鋼管自重、水重、穩定荷載等荷載組合情況下，其抗滑安全系數小于允許值，即鎮墩不發生滑動現象。

2）地基承載力要求：鎮墩地基設計承載力需小于地基允許承載力。

3）抗傾覆穩定要求：由于鎮墩有一定高度，若高度過高，則會出現傾覆現象，因此需進行抗傾覆穩定計算。

4）不發生扭轉和裂縫限制要求：鎮墩在整個運行期間，不得出現扭轉和溫度、荷載突變等裂縫問題，提前采取相應措施避免破壞。

2、鎮墩設計計算

截取引水式電站一段壓力鋼管，對2號鎮墩進行設計，其中涉及參數包括：

管內徑D0=1.600m；管壁厚t=0.01m；水重度γw=9.80kN/m；鋼材重度γs=76.93kN/m3；套管外徑D1=1.66m；套管內徑D2=1.6m；鎮墩容重為21.56KN/m3；引用流量Q=8.4m3/s。

最初擬定鎮墩時，鎮墩尺寸應能夠將鋼管的轉彎段完全包住，管道外包混凝土厚度不宜小于管徑的0.8 倍，管道底距地面不宜小于0.6m。因此，初擬鎮墩尺寸：底面積S =29.4㎡；鎮墩高度為6.9m；保護層取1.64m。

偏心距計算數據在底寬三分線內即為安全范圍內，此工程要求鎮墩在基巖上不出現拉應力即滿足地基應力要求。

3、設計結果與迭代優化結果

通過擬定鎮墩，其抗滑穩定、抗傾覆穩定及地基應力情況，通過對工況，溫升，溫降的計算得出的結果可見，初步擬定的鎮墩能夠滿足抗滑、抗傾覆和地基承載力的要求。

通過計算機反復迭代，滿足安全穩定的情況下，優化鎮墩體型，抗滑、抗傾覆及地基應力均在允許范圍之內。

4、工程措施及總結

有壓引水式電站中，鎮墩設計除了滿足基本要求和自重外，還需要對其抗滑、抗傾覆和地基承載力問題進行校核分析，并針對墩內管道的變形及墩體抗扭、防裂縫問題，提出必要的工程措施。總結如下：

1）在鎮墩重量一定的情況下，要盡可能的減小體型，可加大沿軸線方向的長度，增加抗滑穩定系數；在寬度上滿足外包條件的同時，適當降低鎮墩高度，增加其抗傾覆能力。

2）為了適應鋼管徑向變形，在鎮墩包裹鋼管處，安設剛性環或者止推環，增加管道的剛度，防止不均勻形變。

3）為了提高鎮墩的抗扭性能及防止其產生裂縫，可在鎮墩內部進行配筋，或布置插筋，增強鎮墩結構的抗扭性和穩定性。

4）較高鎮墩必須校核抗傾覆問題，提高鎮墩自身穩定。如遇鋼管為空間轉彎，應加大鎮墩寬度，并保證基地不出現拉應力情況。

參考文獻：

[1]小型水力發電站設計規范 （GB50071-2002）.

[2]水電站壓力鋼管設計規范 （SL281-2003）.

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