供水工程中空間彎管鎮墩的優化設計

高琰喬

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635)

0 引 言

由泵站輸水至水廠的輸水管道在整個供水工程中是不可或缺的部分，大多工程的輸水管道布置在農田或者地勢不平整的山間。

本工程位于廣東省興寧市，輸水管道由泵房接入自來水廠新建沉淀池，整個管道布置于農墾荒地。本工程近期(2020)年最大取水量15.79萬m3/d(1.83m3/s)，遠期最大取水量29.21萬m3/d(3.38m3/s)，因此輸水管道采用雙管，并在泵站外每條管設置一個電動蝶閥，則近期兩根管道可互為備用。輸水管道采用2根D1428X14的Q345鋼管，單根管長1300m，設計內水壓力為0.9MPa[1]。

1 探索背景

1)現行規范或者圖集中彎管鎮墩計算時，鋼管彎頭都是單向的，豎直方向或者水平方向，在有些地形復雜的工程中就會有大量的彎頭及鎮墩，對其施工進度及經濟性來說，不是很有利。

2)目前管道工程中使用到的鎮墩多為方正的混凝土墩這種單一型結構，這種結構型式簡單，也便于施工搭模板。但是存在幾點問題：①尺寸整體偏大，混凝土及鋼筋量需求大，性價比不高；②土方開挖量大，征地范圍大，如果在城市供水工程中會受到很大限制；③受力型式比較單調，只能靠鎮墩的自重和側面的被動土壓力。

這種常見鎮墩很難滿足大管徑、多管的要求，需要重新考慮有利于工程的結構，對上述問題都可有效緩解，達到明顯效果。

為了減少水平和垂直的轉彎數量和適應當地的地勢變化，需要在有條件的基礎上設置水平和垂直同時轉彎的彎管，在這種彎管處設置鎮墩比單向彎管處的鎮墩結構受力復雜，鎮墩常規結構圖見圖1。

圖1 鎮墩常規結構圖

2 鎮墩數量及結構優化

為了使工程中的鎮墩結構更加的合理，經過各個方面的探究和對比，對現有常規的鎮墩結構的以下方面進行優化，以提高鎮墩本身的穩定性及控制混凝土量，更可以適用于大管徑、多管、大流量的鎮墩結構[2]。

1)根據現場地形條件，管道在豎直方向上有坡度變化，且在水平面布置上也有轉彎情況，這種情況下，需要盡可能多的合并水平彎頭與豎直彎頭。

2)增加可以增大被動土壓力的側墻面積，就可以提升結構的利用率。被動土壓力是增加鎮墩抗滑阻力的主要因素之一，增大側墻面積，被動土壓力就會增加，達到受力平衡，所以鎮墩側墻可采用弧線形，此弧線與管道中線弧線平行，這樣就是增大了鎮墩增大被動土壓力的側墻面積。

3)增加鎮墩底板面積，并且需要采取合理的摩擦系數，以增大摩阻力，減小基底應力及其不均勻系數。鎮墩底板面積也是增加鎮墩抗滑阻力的主要因素之一，增加底板面積，底板上的覆土體積將跟著增大，則整個結構的壓力將大大增加，增大鎮墩與地基之間的摩阻力，還減小了鎮墩的地基應力不均勻系數。

4)調整側墻高度以增大鎮墩阻力，提高鎮墩的抗傾覆穩定性。控制鎮墩各力矩保持平衡，使鎮墩的抗傾覆穩定性增加。

5)增加管道外側鋼筋網，可以有效提高鎮墩薄弱部位的抗拉強度及鎮墩的整體穩定性。

3 鎮墩設計

3.1 鎮墩合并

在鎮墩合并過程中，首先借助Auto CAD在平面中盡可能少折點的確定輸水管道線路，然后在測量縱斷面中確定管線在垂直方向的節點，最后對比兩圖中相近樁號處的節點在不影響其他因素的情況下是否可以合并，盡可能多的將平面與垂直向的節點合并，這樣可以使水流順暢且減少水頭損失，也可以節省鎮墩量，從而節省工程投資[3]。

3.2 鎮墩受力分析

鎮墩的結構主要是滿足穩定及基底應力，由于空間管鎮墩在工作時是受到上下游管道軸向力和垂直管軸的法向力，地基摩擦力為Fu、土壓力E1、E2，垂直荷載有鎮墩自重Gd、上部覆土荷載F1、鋼管水重Gw。

鎮墩上下游管道承受的軸向力包括：鋼管自重軸向分力、彎管處內水壓力、伸縮節端部的內水壓力、溫變時支座墊板與鋼管間摩擦力、水流離心力；垂直管軸的法向力：鋼管自重分力、鋼管水重分力。對于管徑較大的管道，水流的離心力、對各個接口的摩擦力等相對內水壓力小很多，可忽略不計；由于埋于地下，溫度對管道影響也很小，也可忽略不計，因此只需計算內水壓力產生的外推力F，并且此外推力只由鎮墩來承受[4]，優化后鎮墩平面圖，見圖2；優化后鎮墩剖面圖，見圖3。

圖2 優化后鎮墩平面圖

1-1剖面圖

2-2剖面圖

3.2.1 管道外推力分析

由上圖可知，水平方向，上下游管道相對角為β，豎直方向，上下游管道相對水平面的角為α1、α2。建立直角坐標系，以上游管軸線為X軸，旋轉90度為Y軸，垂直方向為Z軸，所以鋼管對鎮墩的總推力可用下式計算：

∑X=(F上cosα1-Q上sinα1)cosβ1+(F下cosα2-Q下sinα2)cosβ2；

∑Y=(F上cosα1-Q上sinα1)sinβ1+(F下cosα2-Q下sinα2)sinβ2；

∑Z=(F上sinα1+Q上cosα1)+(F下sinα2+Q下cosα2)

式中：F上、F下為上下游管道管軸方向合力；Q上、Q下為上下游管道垂直管軸方向合力；β1為上下游管道相對角，β2為0。

3.2.2 鎮墩垂直荷載

鎮墩所承受的垂直荷載有：鎮墩自重、管道自重、鋼管內水重、鎮墩上部覆土荷載等。

3.2.3 鎮墩的底面與地基摩擦力的標準值

鎮墩底面的摩擦力主要是由鎮墩所受的豎向荷載產生的，有地下水時需要減去地下水產生的浮力。摩擦力T可用下式計算：

T=Gu

(1)

式中：u為混凝土鎮墩與地基的摩擦系數。

3.2.4 鎮墩所受土壓力分析

在設計鎮墩時，如果僅考慮所受的豎向荷載產生的摩擦力，例如鎮墩全部位于地面上，如果埋置于地下，必須考慮土壓力的影響。對于鎮墩來說，承受的土壓力既有主動土壓力又有被動土壓力。

鎮墩的被動土壓力E1為：

(2)

鎮墩的主動土壓力E2為：

(3)

式中：γ為鎮墩處原狀土重度；Φ為原土等效內摩擦角；H、H1、H2所示見上圖。

如果有地下水，則應該考慮地下水所影響的重度折減。

3.3 鎮墩安全穩定分析

一般情況下，鎮墩是靠自重及上面的覆土保持穩定，鎮墩采用混凝土澆筑，管道外側鎮墩及外邊緣都會配置防裂鋼筋，所以強度肯定易于滿足，就只需穩定計算就可滿足要求。穩定計算包括抗滑穩定、抗傾覆穩定、地基應力和沉降等。在一些特別差的地質條件下，根據鎮墩計算確定所需地基承載力，如果不滿足，需進行地基處理，鎮墩的沉降也是根據地質條件確定。設置鎮墩型式時，根據管道彎度及方向，確定主要受力點位于鎮墩的基本重心位置，所以鎮墩的抗傾覆計算易滿足。因此在鎮墩的整個穩定計算過程中，如果地質條件滿足鎮墩需求，主要的控制因素是抗滑穩定和地基應力[5]。

3.3.1 抗滑穩定分析

鎮墩的滑動是由管道的外推合力造成的，而且鎮墩的抗滑力是由底面與接觸處土體的摩擦力和墻后側面土壓力來維持穩定。鎮墩在這些主要受力(管道的外推力合力、鎮墩自重、管道自重、管內水重、上部覆土重、土的側壓力)作用下，抗滑穩定系數Kc≥允許抗滑穩定安全系數K=1.3-1.5，致使鎮墩不發生移動。

(4)

式中：Gd為鎮墩重量；GW為管道水重量；G1為管道重量；F1為上部土荷載。

此公式證明：增加上部覆土重量及增加側墻面積是提高抗滑安全系數的主要指標。

3.3.2 抗滑穩定分析

鎮墩的地基應力，分別用下式計算：

(5)

(6)

式中：X0、Y0、Z0為基礎底面坐標軸，坐標中心與鎮墩底面型心重合；∑MX0為∑X、∑Y、∑Z對底面X0軸的力矩和，kN·m；∑My0為∑X、∑Y、∑Z對底面y0軸的力矩和，kN·m；JX0、Jy0為基礎底面對X0、y0軸的慣距，m4；lX0、ly0為地基應力計算點到X0、y0軸的距離，m；S為鎮墩基礎底面積，m2。

鎮墩地基應力控制條件：平均地基應力不可大于地基允許承載力，最大的基底應力≤1.2倍地基允許承載力，地基應力更不可出現拉壓力，基底應力不均勻系數≤2.0。

4 實 例

以本工程鎮墩Z14作為例子，進行計算：

位于樁號YS0+434.9，上下游管段水平相對角度β=38°，上游管段垂直角度α1=11°，下游管段垂直角度α2=0°,地面高程132.74m，管中心線高程131.07m，管道的工作壓力為0.2MPa，則管道的水壓試驗壓力為0.2+0.5=0.7 MPa，遠期雙根管設計流量為3.38m3/s，此處地基承載力為220kPa，原狀土容重為18kN/m3，鎮墩與地基土摩擦系數為f=0.35，回填土內摩擦角為30°。由于本工程為雙管，雙管對于鎮墩的受力分析，也是相應的乘以2，以達到穩定要求。抗滑穩定垂直方向力的計算結果，見表1。

表1 抗滑穩定垂直方向力的計算結果

4.1 鎮墩的計算參數的選用

根據鎮墩的型式，給出a、b兩種型式的尺寸和混凝土用量，其中鎮墩a是常規鎮墩型式，鎮墩b是優化后的鎮墩型式，根據計算成果就可看出兩種鎮墩型式在經濟上的對比根據上述計算方法，鎮墩兩種型式的尺寸和混凝土用量，見表2。

表2 鎮墩兩種型式的尺寸和混凝土用量

通過上表的模擬尺寸，進行計算，鎮墩的計算參數，見表3。

表3 鎮墩的計算參數

由上表可得出b鎮墩的混凝土量最少，結構更穩定。

4.2 抗滑穩定計算

根據表2、3可得整個豎向力及側向土壓力，經過計算Ks=1.75，滿足要求。

4.3 地基應力計算

鎮墩地基應力計算結果，見表4：

表4 鎮墩地基應力計算結果

經計算，σ<220kPa，滿足要求。

檢修工況及水壓試驗工況，經過校核，均滿足規范要求，現不一一列出。

5 結 語

鎮墩是供水工程中重要的構筑物，在整個系統中起著舉足輕重的作用，大部分供水管道設置在農田或者山間，地形凹凸不平，且需按照具體既定路線鋪設，不可避免出現彎頭，為了節省投資及減少管道局部損失，盡量將水平及豎向彎管合并，形成空間角彎管。文章也詳細闡述了鎮墩的優化設計，優化后的鎮墩的混凝土用量明顯減少，利用鎮墩結構的取長補短，增加側墻及底面的受力面積，使得受力結構型式更加明確。文章提到的實例已經施工完成，進行完了通水試驗，所有鎮墩暫無發現明顯位移及開裂，效果良好，為以后相似類型項目提供參考。