埋地壓力給水管道水平支墩穩定性驗算及優化設計

摘要：

柔性接口給水管支墩標準圖集給出了管內水壓適用范圍為0.8～1.1 MPa的支墩設計，但是當實際工程中管內水壓超過1.1 MPa時，不能直接套用支墩圖集。為此，根據工程實例，提出當給水管內水壓超過1.1 MPa，達到1.5 MPa時，先驗算圖集中設計管內水壓力為1.1 MPa的水平支墩是否滿足給水系統運行穩定性要求，再通過驗算結果優化支墩設計。結果表明：在同一工程條件下，當管內水壓達到1.5 MPa時，圖集中設計管內水壓為1.1 MPa的支墩滿足1.5 MPa工況的支墩抗傾覆穩定性和支墩地基承載力的要求，但不能滿足支墩抗滑穩定性要求。增加支墩埋深和展寬支墩墻趾均可以增加支墩抗滑穩定性。考慮節省地下空間和工程造價，該工程采用增加支墩埋深的方式來滿足支墩穩定性要求。研究成果可為類似工程提供一定參考。

關鍵詞：

水平支墩； 壓力給水管道； 穩定性驗算； 優化設計

中圖法分類號：TV672.2

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.010

文章編號：1006-0081（2024）07-0059-05

0 引 言

埋地給水管道結構上受到的作用力有管道自重、管內水重、管道外壁上的豎向和側向土壓力、水壓力（管道埋在地下水位以下時）、地面車輛荷載、堆積荷載和人群荷載等，管道內壁的運行內水壓力，作用在管道系統縱向的由環境溫度變化產生的溫度作用，管道縱向出現不均勻沉降時產生的縱向力和管道在轉彎、三通、堵頭等部位由內水壓力產生的軸向推力等［1］。實際工程中，為確保埋地給水管道的穩定運行，需采取相應措施來平衡上述各力的作用。支墩作為給水管系統的重要組成部分，是平衡各作用力以保證管道系統安全運行的重要措施之一，其設計需要綜合考慮管道重量和管道所處環境等各因素。王志武［2］、雒望余［3］介紹了3種不同類型支墩的設計，雖然全面，但在實際工程中優先選用圖集支墩以減少設計工作；高宇等［4］提出按圖集設計時會使高水壓大口徑球墨鑄鐵管道支墩尺寸較大，造成浪費，通過設計底坎、爬坡支墩設置抗滑移支墩外套、結合閥門井設置支墩的方式增加給水管道運行穩定性，同時節約工程投資；楊育紅［5］研究了改造管道與現狀管道兜接支墩設計及管位空間狹窄等特殊工況下支墩的設計。結合前人研究可以看出，針對給水管道水平支墩設計的文獻相對較少，部分文獻提供了支墩優化設計的方案，但沒有進一步通過項目實例來論證其可行性。支墩的設計需要根據實際項目情況因地制宜，選用合適的優化設計方案。

本文以溫州泰順雅陽華東大峽谷道路給水管工程為研究實例。該工程不屬于高水壓大口徑支墩設計，地下管位空間滿足支墩設置尺寸基本需求，因此優先選用圖集支墩，在圖集支墩不滿足工程管內水壓要求的情況下，全面分析驗算給水管支墩的穩定性，并提出優化方案。最終，通過綜合考慮工程地下空間、投資、施工等因素，選擇最適用于工程實際情況的優化方案。

1 研究方法

支墩的穩定性驗算包括抗滑穩定性、抗浮穩定性、抗傾覆穩定性和地基承載力驗算。本文在穩定性驗算中，考慮管道自重和管內水重，不考慮地面荷載影響和環境溫度變化產生的溫度作用以及管道縱向不均勻沉降產生的縱向力。根據地下水位情況，判斷是否需要進行抗浮穩定性驗算。

依托于支墩標準圖集進行優化，更有利于快速確定適用于工程實例的支墩。本文僅對水平方向彎管支墩在設計管道內水壓力為1.5 MPa時的情況進行穩定性驗算，水平彎管支墩平、剖面圖如圖1所示。先驗算國標圖集中設計管內水壓力為1.1 MPa的水平支墩能否滿足管內水壓力為1.5 MPa工況時的穩定運行，再通過驗算結果進行優化設計。

2 研究過程

雅陽華東大峽谷道路工程位于浙江省溫州市泰順縣，給水管工程為道路配套工程。工程給水管采用D=300 mm的球墨鑄鐵管，外徑326 mm，壁厚7.2 mm（K9），管材重度70.5 kN/m3，T型承插式橡膠圈止水接口。由于工程所在地豎向高差大，供水廠設置于標高較低的現狀老城區，供新建大峽谷片區生活用水，根據項目實際情況，工程給水管設計壓力為1.0 MPa，試驗壓力為1.5 MPa，超出國標圖集規定的壓力范圍，支墩設計不能直接套用國標圖集。因此，先驗算國標圖集中設計管內水壓為1.1 MPa的支墩能否在管內水壓為1.5 MPa的工況下穩定運行，再通過驗算結果優化設計。

根據工程所在地的地勘報告，地基土的容許承載力fa0為140 kPa，土壤重度rs為20.0 kN/m3，土壤內摩擦角φ為22°。

本工程混凝土的重度按r3=24 kN/m3計算；等效內摩擦角按20°計算，支墩地基承載能力100 kPa；給水管覆土深度不小于0.7 m，平均覆土深度按1 m計；地下水水位低于支墩底面，不考慮浮力對支墩的影響；支墩混凝土等級為C30。根據《給排水工程結構設計手冊》（第二版）管道結構自重標準值G管和管內水重標準值G水計算公式如下：

G管=3.14·γ管（D外－t壁厚）·t壁厚≈0.51 kN/m

G水=0.785·γ水（D外－2·t壁厚）2≈0.76 kN/m

式中：γ管為球墨鑄鐵管的重度，kN/m3；D外為球墨鑄鐵管外徑，mm；t壁厚為球墨鑄鐵管壁厚，mm；γ水為水的重度，kN/m3。

根據給水管內水壓力來計算管道截面外推力P，進而計算管道截面外推力P對支墩產生的水壓合力Fwp，k，見圖2。

2.1 支墩水壓合力計算

根據《給水排水工程結構設計手冊》（第二版）第8.2節，埋地給水管道在管道內水壓作用下產生的截面外推力P對支墩產生的水壓合力Fwp，k可按式（1）～（2）計算：

管道截面外推力：

P=0.78d2nFwd，k/1000（1）

管道水平方向彎管處支墩所受的水壓合力：

Fwp，k=2P·sinα2（2）

式中：dn為管道接口內徑，mm；dn=α0D，其中α0為管道接口設計內徑和管內徑轉換系數，D為管內徑，mm；Fwd，k為管道設計內水壓力，MPa；P為管道截面外推力，kN；α為彎管角度，（°）。根據國標圖集10S505《柔性接口給水管道支墩》，DN300球墨鑄鐵管給水管α0=1.2，D=300 mm，dn=360 mm，Fwd，k=1.5 MPa［6］，計算結果見表1。

2.2 支墩穩定性驗算

2.2.1 抗滑穩定性驗算

根據CECS 142-2002《給水排水工程埋地鑄鐵管道結構設計規程》第5.2.7節，抗滑穩定性抗力系數KS取1.5。水平支墩抗滑穩定性驗算公式：

Fpk-Fep，k+Ffk≥KSFwp，k（3）

Fpk=rs2tan2（45°+φ/2）·（Z22－Z21）·L（4）

Fep，k=16rs·（Z22－Z21）·L（5）

Ffk=（G+W－Ffw，k）·f（6）

式中：Fpk為作用在支墩抗推力一側的被動土壓力的合力，kN；Fep，k為作用在支墩迎推力一側的主動土壓力，kN；Ffk為支墩底部滑動平面上的摩擦力，kN；φ為土的等效內摩擦角，取20°；rs為管側土的重度，取20 kN/m3；r3為支墩混凝土的重度，取24 kN/m3；Z1為支墩頂在設計地面以下的深度，m；Z2為支墩底在設計地面以下的深度，m；L為支墩長度，m；G為支墩重力，kN；W為支墩頂部覆土重力，kN；Ffw，k為支墩及其頂部覆土所受的浮托力，kN，由于該工程管道敷設在地下水位以上，基礎和支墩不存在浮力作用，浮托力為0。

該工程計算不考慮支墩頂部荷載作用。根據國標圖集10S505《柔性接口給水管道支墩》，土對混凝土支墩底部摩擦系數f=0.25。支墩抗滑穩定性驗算結果見表2。

由表2 可以看出，該工程給水管內水壓力為1.5 MPa時，只有11.25°水平彎管支墩滿足抗滑穩定性要求，其余水平支墩抗滑穩定性均不滿足要求，因此，標準圖集內設計管內水壓力為1.1 MPa的支墩不滿足該工程給水管穩定運行要求，需要重新設計。在圖集支墩的基礎上做優化設計，有以下兩個思路。

（1） 思路1。根據公式（4）～（6）和圖集10S505《柔性接口給水管道支墩》，支墩底在設計地面以下的深度是支墩頂在設計地面以下的深度加支墩的高度，分析得出：增大Z2，L，G，W，Z1均有利于支墩的穩定，即通過增加被動土壓力或摩擦力來優化設計，提高支墩的抗滑穩定性。

由表2可以看出，Fpk+Ffk-Fep，k的值較KsFwp，k大5.2～17.6 kN，因此考慮增加支墩的摩擦力來滿足支墩的抗滑穩定性要求。管道支墩設計的大部分理論與擋土墻設計類似，由此根據擋土墻設計來改進支墩的設計，在支墩底部展寬墻趾，增加支墩底部的接觸面積，同時增加支墩質量和覆土質量，從而增大摩擦力，如圖3所示。

由表3可以看出，展寬支墩墻趾，增加支墩及支墩頂覆土重力，以增加摩擦力，使支墩Fpk+Ffk-Fep，k≥KsFwp，k，滿足抗滑穩定性要求，同時展寬墻趾還有利于支墩抗傾覆穩定性。但是，展寬墻趾增大了支墩體積，且不利于控制投資和節省地下空間。

（2） 思路2。根據思路1所述，增大Z2、L、G、W、Z1均有利于支墩的穩定，由于支墩底在設計地面以下的深度是支墩頂在設計地面以下的深度加支墩的高度，因此，考慮在滿足支墩抗滑要求時，反推計算支墩頂在設計地面以下深度Z1的值，見表4。根據計算結果，本次優化設計Z1較標準圖集高度增加0.1 m左右，即支墩頂在設計地面以下的埋深較圖集10S505規定的增加0.1 m，便可滿足抗滑穩定性要求。

2.2.2 地基承載力驗算

支墩不僅要保證抗滑穩定性要求，還要保證支墩基底應力不超過地基容許承載力［7］。水平支墩地基承載力驗算公式［6，8］：

G+W≤Afa（7）

fa=fa0+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）（8）

式中：G為支墩重量，kN；W為支墩頂部覆土重量，kN；A為支墩底面積，m2；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；fa0為地基承載力特征值，kPa；ηb、ηd為基礎寬度和埋置深度的地基承載力修正系數，ηb取0，ηd取1.5；γ為基礎底面以下土的重度，取20 kN/m3；γm為基礎底面以上土的重度，取20 kN/m3；b為基礎底面寬度，取3 m；d為基礎埋置深度，即Z2。對支墩進行地基承載能力驗算，見表5。由計算結果可以看出，標準圖集中設計管內水壓力為1.1 MPa的支墩能滿足本工程管內水壓力為1.5 MPa時的地基承載力驗算要求。

2.2.3 抗傾覆穩定驗算

支墩抗傾覆穩定驗算公式：

抗力矩傾覆力矩≥1.2（9）

支墩被動土壓力對支墩前腳趾O點的抗力矩：

Mpk=rs2tan2（45°+φ/2）·（Z22－Z21）·L·H3（10）

水壓合力對支墩前腳趾O點的傾覆力矩：

Mwp，k=Fwp，k·H0=Fwp，k·（0.15+H1）（11）

G+W對支墩前腳趾O點的抗力矩分3個部分計算，見圖1（b）。第Ⅰ部分：M1=（G1+W1）·0.2（第Ⅰ部分支墩體積和覆土體積均為長方體體積）。第Ⅱ部分：M2=（G2+W2）·（0.1+B2）（第Ⅱ部分支墩體積和覆土體積均為臺體體積）。第Ⅲ部分：M3=（G3+W3）·（B+0.35）（第Ⅲ部分重心粗略計，支墩體積和覆土體積均為臺體體積減去管道體積）。計算結果見表6～8。

根據計算結果可以看出，標準圖集中設計管內水壓力為1.1 MPa的支墩能滿足本工程管內水壓力為1.5 MPa時的抗傾覆穩定性要求。

3 結果及討論

根據上述驗算分析，設計管道內水壓力為1.5 MPa時，國標圖集中設計內水壓力為1.1 MPa的支墩能滿足支墩地基承載力和抗傾覆穩定性要求，但不滿足抗滑穩定性要求。實際工程中，可以通過展寬支墩墻趾或增加支墩埋深來滿足抗滑穩定性要求。在本文工程實例中，為了節省工程量和地下空間，采用增加支墩埋深實現抗滑穩定性要求。

4 結 論

現行圖集10S505《柔性接口給水管道支墩》不能滿足所有工程條件下的給水管支墩要求。在實際工程中，支墩設計參數超出圖集范圍時，需要進行驗算并優化設計。對于管內水壓超出一定范圍的支墩，基于圖集資料優化設計，可以更快確定適用于工程實例的支墩。在滿足穩定性要求的同時應盡量減小支墩體積，節省工程量和地下空間。

本文通過工程實例得出，在同一工程條件下，在一定范圍內增加給水管內水壓力，給水管支墩抗滑穩定性不滿足要求，而抗傾覆穩定性和支墩地基承載力滿足要求。通過增加支墩埋深，可以增加支墩抗滑穩定性；展寬支墩墻趾，能同時增加支墩抗滑穩定性和抗傾覆穩定性。從投資控制和施工便捷方面考慮，相較于展寬墻趾，該工程更推薦通過增加支墩埋深來優化支墩設計。

參考文獻：

［1］ 上海市政工程設計研究院.給水排水工程結構設計手冊：第3冊 城鎮給水［M］.北京：中國建筑工業出版社，2003.

［2］ 王志武.再論埋地壓力給水管道水平支墩設計計算［J］.灌溉排水學報，2020，39（增1）：139-142，148.

［3］ 雒望余.埋地壓力給水管道水平支墩設計計算 ［J］.人民長江，2014，45（3）：51-54.

［4］ 高宇，江登峰.高水壓大口徑球墨鑄鐵管道支墩設計［J］.市政技術，2021，39（2）：115-119.

［5］ 楊育紅.市政給水管道柔性接口支墩優化設計［J］.中國給水排水，2012，28（16）：66-67.

［6］ 中國建筑標準設計研究院.柔性接口給水管道支墩：10S505［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［7］ 北京市市政工程設計研究總院.給水排水工程管道結構設計規范：GB 50332-2002 ［S］.北京：中國建筑工業出版社，2003.

［8］ 住房和城鄉建設部.建筑地基基礎設計規范：GB 50007-2011［S］.北京：中國建筑工業出版社，2012.

（編輯：高小雲）

Stability checking calculation and optimal design of horizontal pipeline buttress of buried pressure water supply pipe

HE Haiyan

（Shanghai Millennium Urban Planning and Engineering Design Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

Abstract：

The standard atlas of flexible joint buttress for water supply pipeline provided the application range design of water pressure in the pipe from 0.8 MPa to 1.1 MPa. In actual projects，standard atlas for buttresses can not be directly applied when the water pressure in the pipe exceeds 1.1 MPa. Therefore，this paer proposed a case when the water pressure in the water pipeline exceeded 1.1 MPa and reached 1.5 MPa，the horizontal pipeline buttress with water pressure of 1.1 MPa should be checked whether it can realize the stable operation，and then optimized the horizontal pipeline buttress design according to the checking results. The results showed that under the same engineering conditions，the horizontal pipeline buttress with water pressure of 1.1 MPa of the standard atlas can realize the requirements of overturning resistance and foundation bearing capacity of the horizontal pipeline buttress with water pressure of 1.5 MPa，but it cannot realize the requirements of anti-slip stability. The anti-sliding stability of the pipeline buttress can be satisfied by increasing the buried depth of the pipeline buttress and broadening the toe of the pipeline buttress. Considering saving underground space and engineering cost，this project adopted to increase the buried depth of pipeline buttress to realize the stability requirement. The research results can provide a reference for other similar projects.

Key words：

horizontal pipeline buttress； water supply pipe with pressure； stability checking calculation； optimization design