工程師給排水論文供水管道鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定計算

　　鎮(zhèn)墩是設置在管道水平轉角處防止管線移位的水工建筑物，通常為鋼筋混凝土結構。其穩(wěn)定性影響供水管道的使用年限和安全。本篇工程師給排水論文對水平彎管鎮(zhèn)墩、三通管道鎮(zhèn)墩、垂直向上彎管鎮(zhèn)墩、垂直向下彎管鎮(zhèn)墩等四種供水管道的穩(wěn)定性進行了計算，全面闡述受力及穩(wěn)定驗算，對合理選擇供水管道鎮(zhèn)墩建設方式具有重要意義。

　　推薦期刊：《水利科技與經(jīng)濟》(月刊)創(chuàng)刊于1995年，由哈爾濱市水務科學研究院、哈爾濱市水利規(guī)劃設計研究院、哈爾濱市水利學會主辦。以介紹國內(nèi)水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和水利經(jīng)濟等方面的研究論文為主，同時介紹國外的先進技術和經(jīng)驗，在國內(nèi)水利科技與經(jīng)濟領域具有較大影響。隨著水利水電行業(yè)投資的加大及三峽工程、南水北調工程等大型項目相繼開工，本刊將為國內(nèi)外水利水電施工企業(yè)、工程機械企業(yè)、工程材料企業(yè)提供了更多的建設信息。

　　關鍵詞：供水管道;構筑物;典型鎮(zhèn)墩;受力分析;穩(wěn)定計算

　　隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，城鎮(zhèn)對水的需求量劇增，管道供排水工程成為城鎮(zhèn)正常運轉的重要保障。鎮(zhèn)墩是供水工程中非常重要的角色，對管道的安全運行有重要的作用。一般將鎮(zhèn)墩布置在管道平面轉彎或縱向轉彎、三通、分支管處等，以承受管道改變方向而產(chǎn)生的不平衡推力。

　　[JP+1]根據(jù)鎮(zhèn)墩在供水工程中不同部位，結構形式，功能需要不同，可以分為四種典型鎮(zhèn)墩：水平彎管鎮(zhèn)墩、三通管道鎮(zhèn)墩、垂直向上彎管鎮(zhèn)墩、垂直向下彎管鎮(zhèn)墩等。鎮(zhèn)墩一般靠自重來保持穩(wěn)定，采用混凝土澆制，強度易于滿足，對鎮(zhèn)墩的設計側重于穩(wěn)定計算。鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定計算主要包括抗滑移、抗傾覆、地基承載力和沉降計算四個方面。一般情況下鎮(zhèn)墩為整體結構，且形狀較為寬矮，一般不會產(chǎn)生不均勻沉降。為了使地基受力均勻，都要求合力作用點在基礎底面的中三分點以內(nèi)，抗傾覆力矩較大，因而鎮(zhèn)墩的抗傾覆計算較易滿足。文章對四種典型鎮(zhèn)墩計算理論進行系統(tǒng)的總結與梳理，并以南水北調中線配套工程為例，對水平彎管鎮(zhèn)墩進行受力分析，為此類供水工程的鎮(zhèn)墩計算有重要參考價值。[HJ]

　　1鎮(zhèn)墩受力分析

　　鎮(zhèn)墩承受的荷載主要包括：管道外推力、管道結構自重、管中的水重、鎮(zhèn)墩自重、上部覆土荷載、主動及被動土壓力等。

　　1.1管道外推力分析

　　輸水管道外推力主要是由內(nèi)水壓力、水流離心力、水流與管壁摩擦力、因溫度變化而產(chǎn)生的應力等荷載組成;對于埋地管道，溫度變化不大，溫度應力可忽略不計，而水流的離心力、水流與管壁的摩擦力等載荷與內(nèi)水壓力相比都比較小，也可忽略不計，因此外推力R主要由內(nèi)水壓力產(chǎn)生的。

　　1.1.1管道截面外推力標準值

　　F=0785D2nFwd.k[JY](1)

　　式中：F為管道截面外推力標準值：Dn為管道設計內(nèi)徑;Fwd.k為管道設計內(nèi)水壓力。

　　1.1.2鎮(zhèn)墩所受外推力標準值

　　鎮(zhèn)墩所受外推力是由管道不平衡推力產(chǎn)生的，四種典型鎮(zhèn)墩所受外推標準值如下。

　　(1)水平彎管鎮(zhèn)墩。

　　Fwd.k=2Psin([SX(]α[]2[SX)])[JY](2)

　　式中：α為彎管的角度。

　　(2)三通管道鎮(zhèn)墩。

　　Fwd.k=Psin(α)[JY](3)

　　式中：α為主管和支管夾角。

　　(3) 垂直向上或向下彎管鎮(zhèn)墩。

　　Fwd.k=2Psin([SX(]α[]2[SX)])[JY](4)

　　水平分力：Fh=Fwd.ksin([SX(]α[]2[SX)])[JY](5)

　　垂直分力：N=Fwd.kcos([SX(]α[]2[SX)])[JY](6)

　　式中：α為垂直向上(下)彎管中心線與水平線的夾角;Fh為垂直向上(向下)彎管鎮(zhèn)墩承受水壓力產(chǎn)生的水平分力;N為垂直向上(向下)彎管鎮(zhèn)墩承受水壓力產(chǎn)生的水平分力。

　　1.2鎮(zhèn)墩所受豎向力標準值

　　鎮(zhèn)墩所受豎向力主要包括：管道結構自重、管中的水重、鎮(zhèn)墩自重、上部覆土荷載等。除此之外，垂直向上(向下)彎管鎮(zhèn)墩還受到水推力產(chǎn)生的豎向分力。

　　(1)管道結構自重標準值G1k。

　　G1k=γstπD0t[JY](7)

　　式中：D0為管道的計算直徑，按圓心至管壁中線計算;t為管道設計厚度;γst為管材重度。

　　(2)管道內(nèi)水的重量Gwk。

　　Gwk=[SX(]π[]4[SX)]dn2γw[JY](8)

　　式中：γw為水重度;dn為管道設計內(nèi)徑。

　　(3)鎮(zhèn)墩的重量Gz。

　　Gz=(BH-π[SX(]D21[]4[SX)])γc[JY](9)

　　式中：B為鎮(zhèn)墩寬度;H為鎮(zhèn)墩高度;D1為管道外徑;γc為混凝土重度。

　　(4)鎮(zhèn)墩頂部覆土的重量W。

　　W=γs2Bh1[JY](10)

　　式中：γs2為鎮(zhèn)墩頂部覆土重度;h1為鎮(zhèn)墩頂在設計地面以下的深度。

　　(5)鎮(zhèn)墩及其頂部覆土所受浮托力標準值Ffw.k。

　　Ffw.k=γwB(h2-hw)[JY](11)

　　式中：h2為鎮(zhèn)墩底在設計地面以下的深度;hw為地下水位在設計地面以下的深度。

　　鎮(zhèn)墩所受豎向力(除豎向鎮(zhèn)墩所受水推力豎向分力之外)標準值G如下：

　　G=G1k+Gw k+Gz+W-Ffw.k[JY](12)

　　1.3鎮(zhèn)墩滑動平面上摩擦力標準值

　　鎮(zhèn)墩滑動平面上摩擦力主要鎮(zhèn)墩所受豎向力產(chǎn)生。有地下水時考慮地下水產(chǎn)生的浮力，無地下水時，不考慮浮力。垂直向上彎管鎮(zhèn)墩受到水推力產(chǎn)生的豎向分力方向N向下，垂直向下彎管鎮(zhèn)墩受到水推力產(chǎn)生的豎向分力方向N向上。四種典型鎮(zhèn)墩，其摩擦力標準值如下。

　　(1)水平彎管鎮(zhèn)墩和三通鎮(zhèn)墩滑動平面上摩擦力標準值Ffk。

　　Ffk=GLf[JY](13)

　　(2) 垂直向上彎的彎管鎮(zhèn)墩滑動平面上摩擦力標準值Ffk。

　　Ffk=(G+N)Lf[JY](14)

　　(3)垂直向下彎的彎管鎮(zhèn)墩滑動平面上摩擦力標準值Ffk。

　　Ffk=(G-N)Lf[JY](15)

　　式中：L為鎮(zhèn)墩中心線長度;f為混凝土鎮(zhèn)墩底部與土壤之間的摩擦系數(shù)。

　　1.4鎮(zhèn)墩承受土壓力的計算

　　鎮(zhèn)墩所受土壓力推力側為主動土壓力，抗推力側為被動土壓力。水平彎管鎮(zhèn)墩和三通管道鎮(zhèn)墩考慮主動土壓力及被動土壓力。垂直向上或向下彎管鎮(zhèn)墩本次計算中不考慮土壓力，把土壓力作為安全儲備。土壓力考慮無地下水和有地下水兩種情況。

　　(1)無地下水時鎮(zhèn)墩所受土壓力。

　　a. 鎮(zhèn)墩迎推力側的主動土壓力標準值Fep.k：

　　Fep.k=[SX(]1[]2[SX)]γs1(h22-h21)tan2(45°-[SX(]φ[]2[SX)])L1[JY](16)

　　b. 鎮(zhèn)墩抗推力側的被動土壓力標準值Fpk：

　　Fpk=[SX(]1[]2[SX)]γs1(h22-h21)tan2(45°+[SX(]φ[]2[SX)])L2[JY](17)

　　(2) 有地下水時鎮(zhèn)墩所受土壓力：

　　a. 鎮(zhèn)墩迎推力側的主動土壓力標準值Fep.k：

　　Fep.k=[SX(]1[]2[SX)]γs(h22-h21)+(h2-h1)·(γs1-γs′)

　　tan2(45°-[SX(]φ[]2[SX)])L1[JY](18)

　　b. 鎮(zhèn)墩抗推力側的被動土壓力標準值：

　　Fpk=[SX(]1[]2[SX)]γs(h22-h21)+(h2-h1)·(γs1-γs)

　　tan2(45°+[SX(]φ[]2[SX)])L1[JY](19)

　　式中：γs1為地下水位以上的原狀土重度;γs為地下水位以下土的有效重度;φ為土壤等效內(nèi)摩擦角;L1為迎推力側鎮(zhèn)墩長度;L2為抗推力側鎮(zhèn)墩長度。

　　2抗滑穩(wěn)定驗算

　　鎮(zhèn)墩的滑動力是由管道的外推力產(chǎn)生的，而鎮(zhèn)墩的抗滑力是由鎮(zhèn)墩與土壤的摩擦力及土壓力來維持穩(wěn)定的。鎮(zhèn)墩承受的各種力(管道外推力、管道結構自重、管中的水重、鎮(zhèn)墩自重、上部覆土荷載、主動及被動土壓力等)的作用下，鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc應大于等于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=15，從而使所在管段不發(fā)生滑動。一般被動土壓力不能完全利用，本次計算對被動土壓力進行折減，折減系數(shù)為040。

　　(1) 水平彎管鎮(zhèn)墩和三通管道鎮(zhèn)墩推力穩(wěn)定驗算。

　　Kc=[SX(]04Fpk-Fep.k+Ffk[]Fwp.k[SX)][JY](20)

　　(2) 垂直向上彎或下彎的彎管鎮(zhèn)墩推力穩(wěn)定驗算。

　　Kc=[SX(]Ffk[]Fh[SX)][JY](21)

　　本次計算垂直向上(向下)彎管鎮(zhèn)墩不考慮主動土壓力和被動土壓力，把土壓力作為安全儲備。

　　3地基應力計算

　　鎮(zhèn)墩基底應力計算公式如下：

　　Pmaxmin=[SX(]G±N[]A[SX)]±[SX(]∑M[]W[SX)][JY](22)

　　式中：Pmaxmin為鎮(zhèn)墩基底應力的最大值或最小值; A為鎮(zhèn)墩底面積;∑M為鎮(zhèn)墩上的各作用力對鎮(zhèn)墩底面形心的彎距總和;w為鎮(zhèn)墩底面的形心軸截面距。

　　對地基應力要求：鎮(zhèn)墩平均基底應力不大于地基允許承載即力P≤[P]，最大基底應力Pmax≤12[P];基底不應出現(xiàn)拉應力即最小值Pmin≥0;基底應力不均勻系數(shù)不大于規(guī)范允許值，Pmax/Pmin≤[η]。

　　當基底應力不能滿足要求時，可以調整鎮(zhèn)墩尺寸，即增大底板面積或減小鎮(zhèn)墩高度均能減小基底應力及其不均勻系數(shù)。

　　4抗傾覆穩(wěn)定計算

　　鎮(zhèn)墩抗傾覆穩(wěn)定計算公式如下：

　　ζ=[SX(]MD[]MQ[SX)][JY](23)

　　式中：ζ為抗傾系數(shù);MD為鎮(zhèn)墩抗傾力矩總和;MQ為傾覆力矩總和。鎮(zhèn)墩抗傾系數(shù)不小于允許抗傾系數(shù)值，即ζ≥[ζ]，[ζ]取值為20。

　　5工程案例

　　南水北調工程是迄今為止世界上最大的水利工程，是優(yōu)化我國水資源配置的重大戰(zhàn)略性基礎設施，對整個國民經(jīng)濟發(fā)展具有十分重大的意義。南水北調中線工程主要由總干渠主體工程、供水配套工程、城市管網(wǎng)工程三部分組成。鶴壁市供水配套工程是河南省受水區(qū)供水配套工程的組成部分，共設置分水口門3座，涉及5個縣(區(qū))，分別為34號分水口門向淇縣水廠、鐵西水廠供水，35號分水口門向鶴壁市第四水廠、浚縣水廠供水，36號分水口門向鶴壁市金山水廠、鶴壁市第三水廠供水。

　　其中鶴壁市35號供水管線主管為DN 3000 mm的PCCP管，長度大約32 km，設計流量為13 m3/s，設計壓力06 Mpa。由于管線長度大、地形復雜、轉角多，因此在管線沿途在平面轉彎或縱向轉彎、三通、分支管處等埋設多個鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩類型有水平彎管鎮(zhèn)墩、三通管道鎮(zhèn)墩、垂直向上彎管鎮(zhèn)墩、垂直向下彎管鎮(zhèn)墩等，其結構形式見圖1～4，鎮(zhèn)墩位置采用鋼制管件。鎮(zhèn)墩底部布置有100 mm厚的C10混凝土墊層。以水平彎管鎮(zhèn)墩為例，其平面、剖面見圖5、圖6。

　　5.1鎮(zhèn)墩計算參數(shù)

　　35號供水管線，地下水比較深，按無地下水計算，土壤等效內(nèi)摩擦角，鎮(zhèn)墩底與土壤之間摩擦系數(shù)，選取常用的水平彎管鎮(zhèn)墩進行分析，其他類型鎮(zhèn)墩可以做類似計算，計算參數(shù)見表1。

　　5.2鎮(zhèn)墩計算尺寸

　　DN3000水平彎管鎮(zhèn)墩，采取表1的計算參數(shù)，依照鎮(zhèn)墩理論分析，在滿足鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、地基承載力計算的前提下，擬定的鎮(zhèn)墩尺寸及混凝土用量見表2。

　　5.3鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析

　　[JP+1]對DN 3000的水平彎管鎮(zhèn)墩進行受力分析，最終計算出鎮(zhèn)墩抗滑安全系數(shù)、地基應力及抗傾系數(shù)，計算結果見表3。

　　6結語

　　本文選取常用的水平彎管鎮(zhèn)墩進行分析，其他類型鎮(zhèn)墩可以做類似計算，從以上分析可以看出：(1)選取合適的鎮(zhèn)墩尺寸，經(jīng)過計算能夠滿足抗滑穩(wěn)定、地基應力、抗傾覆穩(wěn)定的要求。(2)相同管徑、設計壓力及覆土厚度相當?shù)臈l件下，鎮(zhèn)墩尺寸隨彎曲角度的增大而增大，混凝土用量也相應增加。(3)典型鎮(zhèn)墩形體采用對稱布置，滿足合力作用點在鎮(zhèn)墩底寬的三分點以內(nèi)，不會出現(xiàn)傾覆，可不進行抗傾覆穩(wěn)定計算。因此鎮(zhèn)墩設計過程中起控制作用的因素經(jīng)常是抗滑穩(wěn)定計算和地基應力計算。(4)由于鎮(zhèn)墩尺寸比較大，鎮(zhèn)墩可以采用C25鋼筋混凝土，為了防止鎮(zhèn)墩表面被拉裂，鋼制管件跟鎮(zhèn)墩接觸部分采用受力鋼筋，鎮(zhèn)墩表面設置構造鋼筋網(wǎng)。(5)對于鎮(zhèn)墩抗推力側被動土壓實力折減系數(shù)跟鎮(zhèn)墩的位移量有關，其影響因素是個值得研究的課題，需進一步深入研究。

　　鎮(zhèn)墩對管道的安全運行有非常重要的作用，必須重視鎮(zhèn)墩的作用。鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計算過程一般是采取相關計算參數(shù)，在滿足抗滑穩(wěn)定、地基應力、抗傾覆穩(wěn)定等計算條件下，擬定合理尺寸，并盡可能地減少鎮(zhèn)墩體積，降低工程造價。文章給出了常見典型鎮(zhèn)墩的結構形式，對四種典型受力分析及穩(wěn)定驗算進行全面闡述，這對輸水管線鎮(zhèn)墩選型及理論分析有重要的參考意義。

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