長距離輸水工程壓力管道地埋鎮墩標準化設計

楊啟功

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510630)

0 引 言

在水利水電工程以及油氣管道等工程的建設中，建造鎮墩最大的作用是用來防止壓力管道出現位移，起到了固定以及承重的作用。在工程建設當中，常見的地埋壓力管道都會采用閉合式鎮墩，尤其是在長距離的輸水工程項目當中，使用地埋式鎮墩能夠滿足管道回彎以及轉折處的穩定要求。目前，鎮墩的設計與建造還未形成一個統一的標準，所能夠參考的手冊和依據也較少，因而在進行長距離輸水管道鎮墩的設計過程中，如何制定出一整套高效率、高質量的標準成為了一個亟待解決的難題。因而我們只能在實際建設過程中，不斷對鎮墩尺寸擬定以及穩定計算的方式進行優化，以便可以在節省人力物力的同時，大幅度提升工程建設的精度。

1 地埋鎮墩的結構類型

將地埋鎮墩的結構類型進行歸納和整理是進行鎮墩設計和建造標準化的根基。根據輸水管道轉彎處的空間以及功能的不同，可以將地埋鎮墩細分為以下四種不同的類型：平面鎮墩、立面鎮墩、復合鎮墩以及構造鎮墩。具體來講，平面鎮墩一般被應用在輸水管道的立面無縱坡處，僅作為平面輸水管道上的轉折點使用；立面鎮墩則通常被用在輸水管道的平面無轉折處，被用作立面存在著縱坡位置的點位上；復合鎮墩通常情況下被應用在輸水管道的平面轉折點與立面縱坡處的重合點位上；而構造鎮墩的應用則常常會結合輸水管道實際建設情況，來設置在無轉折點的平直管道段內。

1.1 平面鎮墩

依據輸水管線平面圓心角大小的不同，又可以將平面鎮墩劃分為大轉角五邊形地埋鎮墩和小轉角矩形地埋鎮墩兩大類，其具體如圖1所示。矩形地埋鎮墩適用于在輸水管線上既沒有平面轉彎也沒有立面縱坡的位置進行設計和建造，而大轉角的矩形地埋鎮墩的使用位置則需要首先利用公式推導出界限角的大小之后再結合實際建設情況加以確定。

1.2 立面鎮墩

立面鎮墩又可以依據輸水管線走向的不同和立面鎮墩縱坡坡度大小的不同細分為4種不同的類型，其具體如圖2所示。如圖中所示，立面鎮墩的四種不同的類型基本涵蓋了在諸如輸水以及油氣工程中所有可能遇到的情況，而為了將輸水管道的推力進行標準程序化的判定和計算，還能夠將鎮墩彎管的類型劃分為上行彎管和下行彎管兩大類[1]。其中，上行彎管上面的作用力方向朝向為斜下方，計算鎮墩穩定力時，作用力中向下的豎向分量起著積極的作用；而下行彎管上面的作用力朝向為斜上方，在進行鎮墩穩定力的計算時，彎管上面的豎向分量起到了消極的作用。因而我們可以得出以下結論：Ⅰ型立面鎮墩是一種典型的下行彎管，Ⅲ型立面鎮墩則為一種典型的上行彎管；而對于Ⅱ型立面鎮墩來講，由于它的α都是位于水平面之下，則可以推斷出其所對應的輸水管道縱坡坡度值為負數，在α>β的情況下，則可以將其看作為下行彎管，而在α<β的情況下，則可以將其看作為上行彎管；對于Ⅳ型立面鎮墩，我們可以看出α都是位于水平面的上方，其所對應的輸水管道縱坡坡度值都是正值，在α<β的情況下，則可以將其看作下行彎管，在α>β的情況下，則可以將其看作為上行彎管。在上述的計算過程中，α和β都是絕對值，而且α和β還存著一定的函數關系。

(a)小轉角平面鎮墩 (b)大轉角平面鎮墩

此外，對于立面鎮墩來說，在α=0的特殊情況下，在β位于水平面之上時，則將其看作Ⅲ型立面鎮墩上行彎管，而在β位于水平面之下時，則可以將其歸類為Ⅰ型立面鎮墩下行彎管；在β=0的特殊情況下，當α處在水平面上方時，則可以將其看作為Ⅲ型立面鎮墩上行彎管，在α處于水平面之下時，則可以將其歸類為Ⅰ型立面鎮墩下行彎管。綜上所言，對地埋鎮墩進行科學、合理劃分和歸類，能夠為輸水管道彎管匹配合理的鎮墩和對地埋鎮墩進行標準化的程序計算提供極大的方便。

2 地埋鎮墩尺寸標準

將輸水管線外包混凝土的厚度b作為地埋鎮墩結構尺寸的具體控制性參數，以及通過對混凝土厚度b數值的調整來改變地埋鎮墩的結構和尺寸，從而使得鎮墩的抗滑行和穩定性滿足相應的規范和要求[2]。而要想得出具體的地埋鎮墩結構尺寸的數學方程式則需要在對輸水管道中心線平面和立面進行測量的基礎之上再結合地埋鎮墩的控制參數b經由幾何關系得出。

2.1 立面鎮墩尺寸

將立面鎮墩的尺寸導入至具體的幾何關系式中可得出其具體的數學表達式為：

長度：L = ( b + R tanγ/2 ) ( cos α + cos β )

寬度：B = dn + 2b

高度(Ⅰ 型，Ⅲ型)：判斷 △ = max(α， β) ， H = 2b +dn/2(1/cos △+1 ) + ( b + R tanγ/2 )sin△

高度(Ⅱ 型，Ⅳ型)： H = 2b +dn/2 (1/cos α+1/cos β )+ ( b +R tanγ/2 ) ( sin α + sin β )

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +πγR/180 )

2.2 構造鎮墩尺寸

依據具體的幾何關系式，可以得出構造鎮墩的尺寸大小以及混凝土量：

長度：L = dn + 2b

寬度：B = dn + 2b

高度：H = 2b +dn/cos α+ Ltan α

混凝土方量： V = LBH -πdn2/4L/cos α

2.3 平面鎮墩尺寸

依據具體的幾何關系式，可以得出構造鎮墩的尺寸大小以及混凝土量：

長度：L = ( b + R tanθ/2 )( 1 + cos θ )

寬度：B = 2b +dn/2( 1 +1/cos θ )+ ( b + R tanθ/2 )sin θ

高度：H = 2b +dn/cos α+ 2 ( b + R tanθ/2 )sin α

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +πθR/180 )

圖2 立面鎮墩分類典型圖

2.4 復合鎮墩尺寸

依據具體的幾何關系式，可以得出構造鎮墩的尺寸大小以及混凝土量：

長度：L = ( b + R tanθ/2 )( 1 + cos θ )

寬度：B = 2b +dn/2( 1 +1/cos θ )+ ( b + R tanθ/2 )sin θ

高度：H = 2b +dn/2 (1/cos α+1/cos β )+ ( b + R tanθ/2 ) ( sin α + sin β )

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +π△R/180)

在上述的數學公式中，L、B、H分別代表地埋鎮墩的長、寬、高，b為輸水管道外包混凝土的具體厚度，同時也是地埋鎮墩的控制參數，dn為輸水管道的直徑，而R則為輸水管道轉彎處的半徑。通過上述數學公式來對地埋鎮墩的穩定性進行受力分析和計算，只需要對控制參數b進行控制，即可改變鎮墩的尺寸和重量，大大提升了地埋鎮墩穩定性計算的效率。

3 地埋鎮墩穩定性計算

3.1 地埋鎮墩抗滑穩定性計算

通常來講，對地埋鎮墩的穩定性進行計算，其抗滑性是鎮墩穩定性計算的關鍵所在，在當前階段，我國還未有對此進行計算的統一標準，因而在具體的施工建造過程中，都是通過對鎮墩進行穩定計算擬定來得出其具體的體積大小以及結構尺寸，并在此基礎之上進行地基承載力的復核工作[3]。根據具體的輸水管道工程技術標準，我們可以得知，在考慮土壓力的影響之下，針對地埋輸水管道穩定性計算的具體公式為：

Fpk- Fep， k+ Ffk≥ KsFwp.k

在上述公式中，Fpk是作用在鎮墩抗推力側被動土壓力的數值； Fep， k為鎮墩迎推力側的主動土壓力的數值； Ffk是鎮墩底部的摩擦力；Ks是具體的抗力系數，通常情況下，Ks的數值要在1.5以上。

除此之外，對于我們工程中常用的地埋輸水管線穩定性計算，現行的《泵站設計規范》當中也給出了具體的參考公式：

Kc=f∑G/∑H

(1)

式中：Kc為具體的抗滑穩定安全系數；∑G為鎮墩上的豎向作用力；∑H為鎮墩上的橫向作用力；f則是鎮墩和地基之間的摩擦系數。而對于在進行地埋鎮墩穩定性計算的過程中是否將土壓力考慮在內，我們常見的策略就是將被動土壓當做安全儲備，而將主動土壓力看作是最壞情況進行計算，在這種情況之下，鎮墩的抗滑系數通常情況下都保持在1.5以上，而對于在組合情況下的抗滑穩定系數也應該保持在1.3以上。

4 結 論

1)在進行水利水電的工程建設中，輸水管道的地埋鎮墩設計和建造和常用的市政工程管道鎮墩有著明顯的差異，因而在設計和建造之時應謹慎對待，利用數學公式來對地埋鎮墩的具體受力點進行推導。

2)對在標準化程序設計下，輸水管線中所能夠用到的地埋鎮墩類型進行了整理和歸納，并在此基礎之上對不同類型鎮墩的結構尺寸以及穩定性的幾何計算公式進行了詳細的推導。