多排平行管線鎮墩設計程序開發與研究

許合偉

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

一、程序研發背景

泵站出水壓力管線采用明管設計時，在明管轉彎處、分叉處、不同管材接頭處和明管直線段較長時應設置鎮墩。在明管直線段上設置的鎮墩，其間距不宜超過100m。鎮墩作為保證壓力明管線安全穩定運行的一項重要建筑物，布置在管線轉角處的鎮墩可分為豎向轉角鎮墩、水平轉角鎮墩和空間轉角鎮墩。

對于管徑不全相同的多排平行長距離輸水壓力明管線，同時為了盡量節省工程投資，管線間距布置時會盡量小，能滿足管道安裝、檢修即可，水平轉角處鎮墩做成聯合鎮墩的形式較為合適。然而，鎮墩設計是一項比較繁瑣和需要多次反復的工作，特別對于長距離輸水管線，鎮墩數量多，設計任務繁重。為了能方便快捷地進行鎮墩設計，目前已有學者利用Auto CAD軟件并結合其二次開發功能研制開發了幾種單排管線鎮墩穩定計算程序[1]~[3]，但尚無適用于多排平行管線鎮墩設計的程序。

鹽環定揚黃工程更新改造項目共七座泵站，泵站出水管線主要采用明管敷設，主管管材為BCCP管和PCP管，承插連接。二泵站管線共3排主管道和1排灌溉管道，主管道為2排DN2000和1排DN1800，從GX0+000至GX4+820為BCCP管，從GX4+820至GX5+537為PCP管。灌溉管道為DN800 PCP管，結束于樁號GX2+809處，共5個水平轉角鎮墩。三泵站管線共3排主管道，主管道為2排DN2000和1排DN1800，從GX0+000至GX2+160為BCCP管，從GX2+160至GX3+081為PCP管，共3個水平轉角鎮墩。四泵站管線共3排主管道，主管道為2排DN2000和1排DN1800，從GX0+000至GX4+435為BCCP管，從GX4+435至GX5+065為PCP管，共8個水平轉角鎮墩。

各泵站壓力管線管道數量不同管徑也不完全相同，特別是在管線水平轉角處設置的鎮墩，鎮墩底面設計為六邊形較為合理，但鎮墩穩定計算較為繁瑣。鎮墩穩定計算可以利用excel表格進行，但需要利用AutoCAD先繪制出鎮墩底面形狀并查詢出鎮墩底面形心、兩條形心主軸及底面對兩條形心主軸的慣性矩。從初擬鎮墩尺寸到尺寸調整至滿足鎮墩穩定要求，需要反復進行多次計算，過程比較繁瑣。

本課題為了方便快捷地對水平轉角鎮墩進行設計，結合AutoCAD提供的查詢三維實體形心位置、體積、慣性矩等幾何特性的命令工具，通過利用AutoCAD VBA二次開發語言編制成程序，程序首先根據輸入的鋼管數量、管徑、壁厚、管道間距、管道水平和豎向轉角、鎮墩控制尺寸、內水壓力、摩擦系數等參數，構造出鋼管、鎮墩的三維實體和形心主慣性平面，利用CAD命令Mass Prop求出所需的幾何特性值，然后計算鎮墩承受的荷載，最終計算輸出鎮墩底面各控制點的應力和鎮墩的抗滑安全系數，從而實現了鎮墩穩定計算分析及體形輸出的程序化。

為了方便快捷地對多排平行管線水平轉角鎮墩進行設計，結合AutoCAD提供的查詢三維實體形心位置、體積、慣性矩等幾何特性的命令工具，通過利用AutoCAD VBA二次開發語言編制完成了多排平行管線鎮墩設計程序，從而實現了多排平行管線鎮墩穩定計算分析及體形輸出的程序化。

二、程序主要功能及編制思路

可利用本程序對單排管線或多排平行管線進行鎮墩設計，鎮墩類型包括豎向轉角鎮墩、平面轉角鎮墩、空間轉角鎮墩。目前本程序最多可用于六排平行管線的鎮墩設計。

首先，程序根據輸入的管道信息（管道數量、管徑、壁厚、管道間距、管道水平和豎向轉角、內水壓力等）、鎮墩信息（鎮墩體型自動生成控制參數、摩擦系數、埋深等參數），構造出管道、鎮墩的三維實體和形心主慣性平面，利用CAD命令Mass Prop求出所需的幾何特性值，然后計算鎮墩承受的荷載，計算鎮墩的抗滑安全系數，并判斷抗滑安全系數是否滿足規范要求，若不滿足程序自動加大鎮墩尺寸，重新生成三維實體鎮墩和計算鎮墩的抗滑安全系數，直至抗滑安全系數滿足規范要求。抗滑安全系數滿足要求后，程序計算出鎮墩底面的基底應力，判斷鎮墩底面基底應力是否滿足地基承載力的要求，若滿足程序終止并輸出最終的計算結果，若不滿足鎮墩底部自動增加擴展基礎，重新生成三維實體鎮墩和計算鎮墩基底應力，直至基底應力滿足地基承載力要求。最終輸出鎮墩的抗滑安全系數和鎮墩底面各控制點的應力。

三、程序主要編制依據

（一）根據鎮墩受力特點，作用于鎮墩上的力主要有以下幾類

1.平面彎管鎮墩受內水壓力的軸向力F及合力R：

式中：D為管徑；

r為水容重；

H為作用于管中心線的水頭；

α為管道的平面轉彎角度，見下圖。

圖1 平面轉角管道鎮墩受內水壓力示意圖

2.立面彎管鎮墩受內水壓力的軸向力F及合力R1、豎直合力R2：

式中：D為管徑；

r為水容重；

H為作用于管中心線的水頭；

α為管道的立面轉彎角度，見下圖。

圖2 立面轉角鎮墩受內水壓力示意圖

3.彎管處水流的離心力R0：

式中：g為重力加速度；

α為管道的轉彎角度，其余同上。

4.彎管處水流的離心力R0：

式中：g為重力加速度；α為管道的轉彎角度，其余同上。

根據《基于VB語言的鎮墩結構設計程序開發與研究》一文中介紹，彎管處水流離心力R0與彎管處內水壓力R的軸向力相比較小，計算中可忽略不計。

5.管重及水重

6.地震荷載

（二）鎮墩抗滑穩定安全系數計算公式按照以下進行計算

土基或巖基采用抗剪公式：

巖基也可采用抗剪斷公式：

式中：Kc——抗滑安全系數；

∑G——作用于鎮墩基礎底面以上的全部豎向荷載；

∑H——作用于鎮墩基礎底面以上的全部水平向荷載；

A——鎮墩基礎底面面積；

f——鎮墩基礎底面與地基之間的摩擦系數；

f’——巖基上鎮墩基礎底面與地基之間的抗剪斷摩擦系數；

C’——巖基上鎮墩基礎底面與地基之間的抗剪斷粘結力。

3、鎮墩基底應力按照以下公式計算：

式中：

Z——計算點到XOY平面的高度，取坐標的絕對值。

四、程序主要設計內容

本程序默認將水平轉角或空間轉角鎮墩底面設計為六邊形，豎向轉角鎮墩底面設計為矩形。對于明管鎮墩，當抗滑穩定安全系數已滿足規范要求而基底應力又超過地基承載力允許值時，鎮墩底部可以考慮增加懸挑以減少基底應力。

（一）主要參數定義

管道編號順水流方向從右向左依次進行編號。

管線水平轉角，逆時針為正。

上游管道中心線與水平面的夾角，管道中心線在轉折點水平面上方夾角為正。

下游管道中心線與水平面的夾角，管道中心線在轉折點水平面上方夾角為正。

圖3 鎮墩平面示意圖

（二）程序設計界面

圖1 程序數據輸入界面

圖2 程序計算結果輸出界面

（三）程序自動輸出的鎮墩三維模型示例

算例1 鎮墩三維模型（底部無懸挑）

算例2 鎮墩三維模型（底部有懸挑）

結語：

本文針對多排平行管線水平轉角鎮墩，經過研究開發了多排平行管線鎮墩設計程序，利用該程序用戶可通過可視化界面直接輸入相關數據，包括管道信息和鎮墩信息，運行后將自動生成三維實體鎮墩并可通過可視化界面直接查看計算結果。目前該程序已應用于實際工程的設計中去，提高了工作效率，具有一定的推廣價值。