小型輸水工程鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析

劉克

（鄭州市水利建筑勘測設計院，河南 鄭州 450006）

小型輸水工程鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析

劉克

（鄭州市水利建筑勘測設計院，河南 鄭州 450006）

山地丘陵區(qū)，小、微型抗旱工程建設項目廣泛采用建設泵站提水灌溉方式，輸水干管具有流量小，揚大的特點，壓力管道關鍵部位鎮(zhèn)墩對管道安全運行非常重要。本文以低山丘陵區(qū)抗旱應急工程設計為例，按照現行水利規(guī)范，結合小型農田水利工程中壓管道的特點，對管道關鍵部位鎮(zhèn)墩設計中的若干問題分析，與相關工程設計人員交流探討。

壓力管道鎮(zhèn)墩；穩(wěn)定分析；探討

1　基本情況

我國是一個農業(yè)大國，干旱災害直接威脅到國家的長期糧食安全和社會穩(wěn)定。近年來我國部分地區(qū)遭受持續(xù)干旱，己經引起我國政府的高度重視。2013年國務院常務會議適時提出了關于用3年時間落實幾項從根本上提升抗旱減災能力的工程舉措的要求，水利部會同國家發(fā)展改革委、財政部、農業(yè)部編制完成了《全國抗旱規(guī)劃實施方案（2014-2016年）》（以下簡稱《實施方案》），要求加強組織領導，逐級落實工作目標和任務，加大對抗旱減災工作的投入，加快推進項目實施，確保建設任務順利完成?！秾嵤┓桨浮妨⒆阌诩訌娭卮蠊歉伤垂こ毯涂购祽彼垂こ探ㄔO，大、中、小、微型抗旱水利工程并舉，進一步增強我國重點旱區(qū)供水能力和抗旱減災能力。

河南省在2014年6月份至7月份，出現持續(xù)高溫、少雨、干旱天氣，平均降雨量達到1951年以來最少年份，旱情持續(xù)加重，抗旱形勢十分嚴峻。其中，豫西、豫北部分丘陵崗區(qū)因缺乏灌溉條件，旱情嚴重。事實再次證明，山丘區(qū)以旱災為主?！拔迦詹挥隇樾『?，十天不雨為大旱，半月不雨青苗黃，一月不雨禾可燎”是山丘區(qū)干旱的真實寫照。通過實施引調提水工程措施，充分、有效利用現有水資源，是解決山丘區(qū)水資源分布不均勻的有效的措施。

本工程的主要任務是解決干旱缺水的情況下口糧作物播種期、生長關鍵期最基本的用水問題，確保收成。工程以丁店水庫為水源，通過修建泵站提水至高位水池調蓄、配水。設計提水流量340m3/h，揚程118.00m，輸水壓力鋼管（DN300）長1.60km，為避免對機耕道路和耕種的影響，采用地埋敷設形式，沿線根據縱、平面布置設置鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩一般布置在管道轉彎處，以承受水管改變方向而產生的軸向不平衡力［1］，如平面轉彎或縱向轉彎、三通、異徑管、分支管處，需根據管道壓力、管材和管徑通過管道穩(wěn)定計算來確定結構尺寸。有工程經驗提出地埋壓力管道不需要設置鎮(zhèn)墩，本人認為除巖體內埋管和混凝土壩內埋管不設置鎮(zhèn)墩外，其他土壤內埋管是否需要設置鎮(zhèn)墩，應根據不同工程特點和地質條件經計算后方可確定。以下僅以本工程鎮(zhèn)墩設計中有關參數的選擇和結構尺寸設計予以淺析，為相關工程設計人員提供參考，交流探討。

2　荷載的選擇

本工程泵站輸水管采用鋼管，屬于壓力鋼管設計問題，其具體計算要求、理論公式及方法與水電站壓力鋼管設計基本一樣，在以往實際設計工作中，此類設計計算往往主要依據《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》。但規(guī)范使用的條件是水電站壓力鋼管的計算，對于農田水利灌溉工程若簡單套用，在荷載選擇上存在依據不足的問題。比如溫度荷載和土壓力荷載的計算問題。

2.1溫度荷載選擇問題

小、微型提水灌溉工程，輸水壓力管道一般沿山坡地形鋪設，沿線地形相對較水電站壓力管道線路復雜，而且為減小對當地交通和耕作的影響，減少永久工程占地，越來越多的農田水利工程選擇對鋼管做防腐措施后埋設于地下?！端娬緣毫︿摴茉O計規(guī)范》中鎮(zhèn)墩的計算只是適用于明鋼管，規(guī)范中的地埋鋼管也僅指巖石中埋設的鋼管，對于土中地埋鋼管鎮(zhèn)墩的計算并未提及。對于土中埋設的壓力管道，作用于鎮(zhèn)墩上的荷載計算中是否考慮溫度荷載是工程技術人員在設計中經常會產生疑問的地方。僅依據次規(guī)范，溫度荷載選擇上就缺乏依據。

本工程屬于農田水利工程，泵站輸水管采用地埋壓力鋼管，屬于壓力管道設計問題，因此設計中鎮(zhèn)墩的計算依據了《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》中倒虹吸設計中的壓力管道鎮(zhèn)墩計算，雖然規(guī)范中沒有明確的荷載計算公式和穩(wěn)定計算公式，提出需依據的《泵站設計規(guī)范》［2］也無寫明，但在其條文說明6.2.2條中提到了“試驗表明，管道埋于地面下對減小溫差應力的作用較顯著，同時試驗還表明，當埋深大于0.80m時減小內、外壁溫差的作用已不明顯。因此，對于地埋管道，可不考慮管道溫度應力影響”。規(guī)范中在“鎮(zhèn)墩計算的荷載組合”表中也明確了埋管類型的鎮(zhèn)墩計算各工況下均不需要計算外水壓力、溫度荷載。需要注意的是《泵站設計規(guī)范》7.3中所列“管道結構分析的荷載組合”僅適用于管道結構計算，并不是作用于管道鎮(zhèn)墩上的荷載組合。至此，土中地埋壓力管道鎮(zhèn)墩的計算中溫度荷載是否需要計算找到了明確依據。

因此，作者認為對于農田水利工程中提水泵站輸水管道，屬于壓力管道，作用于鎮(zhèn)墩上的荷載可以根據《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》中倒虹吸壓力管道的相關規(guī)定，根據不同工況選用。作用于壓力管道鎮(zhèn)墩上的荷載包括永久荷載和可變荷載、偶然荷載。其永久荷載包括：自重、水重、設計內水壓力、外水壓力、水流離心力、土壓力、雪荷載、地面荷載、不均勻沉降力、溫度荷載；偶然荷載包括：校核內水壓力和地震力。對于埋設在土中地埋管道類型上的鎮(zhèn)墩，在規(guī)范要求的各計算工況下均不需要計算外水壓力和溫度荷載。

2.2土壓力、雪荷載、地面荷載計算問題

目前，在壓力鋼管鎮(zhèn)墩計算中，作用于鎮(zhèn)墩上的荷載計算公式主要依據《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》，但在實際工程設計中，其中所列荷載計算公式并不能滿足實際需要，不足部分就需要按照《水工建筑物荷載設計規(guī)范》中對應荷載計算公式列入計算。

例如，《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》中作用于地埋管道鎮(zhèn)墩上的荷載有土壓力、雪荷載、地面荷載，但《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》由于只適用于明鋼管，附錄A中無這些荷載的計算公式，這就需要依據工程實際，在鎮(zhèn)墩上下游垂直管軸方向作用力中，補充土壓力、雪荷載、地面荷載，計算分力，并應在鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計算中計入［3］。

管道鋪設坡度小的情況下，由于土壓力、雪荷載、地面荷載屬于鎮(zhèn)墩上下游垂直管軸方向作用力中對鎮(zhèn)墩穩(wěn)定有利的荷載，因此，對于土中地埋鋼管，如果覆土達到一定厚度，當管道以上外荷載達到鎮(zhèn)墩穩(wěn)定所需要的自重，此時地埋管道不需要再設置鎮(zhèn)墩才是合理的。

3　鎮(zhèn)墩尺寸擬定

在市政及一般民用與工業(yè)建筑工程中，多應用常用管材和管徑壓力管道鎮(zhèn)墩的國家標準圖集，均有相應的內水壓力等適用范圍。在農田水利工程中，提水泵站輸水管道具有管線距離相對較短，壓力變化范圍相對較大的特點，在實際工程中，從工程經濟角度考慮，圖集中的壓力鎮(zhèn)墩適用范圍并不能滿足所有鎮(zhèn)墩需要。這就需要對管道平面轉彎或縱向轉彎、三通、異徑管、分支管處鎮(zhèn)墩一一計算，確定安全、經濟合理的結構尺寸。

在某地抗旱應急工程的壓力管道鎮(zhèn)墩設計驗算過程中，平面鎮(zhèn)墩和縱向立面鎮(zhèn)墩尺寸的選擇需要依據鎮(zhèn)墩穩(wěn)定安全系數和地基承載力綜合確定。計算中發(fā)現，有的已擬定尺寸的鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，但為滿足地基承載力要求，需要增加鎮(zhèn)墩寬度或者長度，但隨平面鎮(zhèn)墩和立面鎮(zhèn)墩類型不同而增加鎮(zhèn)墩尺寸的方向不同。對于平面型鎮(zhèn)墩，增加鎮(zhèn)墩垂直于管道方向的尺寸更有利于滿足地基承載力要求；而對于縱向立面型鎮(zhèn)墩，增加順管道方向鎮(zhèn)墩的尺寸對于滿足地基承載力更有效。與此同時，可通過降低鎮(zhèn)墩高度或減少另外方向的鎮(zhèn)墩尺寸，在滿足地基承載力的前提下，同時滿足鎮(zhèn)墩的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定要求。最終選定鎮(zhèn)墩結構尺寸。經復核對比，按此方法選定的鎮(zhèn)墩尺寸與壓力范圍、地質情況等適用條件相同的圖集中鎮(zhèn)墩尺寸基本一致，可判斷擬定鎮(zhèn)墩尺寸的調整計算方法正確。

因此，在具體壓力管道鎮(zhèn)墩設計中，需要反復試算，才能設計出既安全穩(wěn)定，又節(jié)省材料的鎮(zhèn)墩結構尺寸。

4　穩(wěn)定計算問題

4.1鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計算內容

根據農田水利提灌工程提水泵站輸水管道敷設沿線地形多變，高程變化大的特點，根據本次工程管道鎮(zhèn)墩設計中遇到的實際問題，筆者認為鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計算應包括：①鎮(zhèn)墩所在邊坡應滿足《水利水電工程邊坡設計規(guī)范》中對于土質邊坡穩(wěn)定的規(guī)定；②鎮(zhèn)墩基礎埋深等應滿足《建筑地基基礎設計規(guī)范》高邊坡上地基基礎埋深等規(guī)范要求；③對鎮(zhèn)墩進行抗滑、抗傾覆穩(wěn)定及地基強度驗算。前兩條在《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》并未提及，但在工程實際中是需要復核驗算的，這點需要特別注意。對于受地形條件限制，經復核，局部邊坡存在不安全因素的，尚應采取必要的治理和加固措施。

4.2鎮(zhèn)墩地基應力應滿足的標準

《灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范》指出“土基上的基底最大壓應力應小于地基允許承載力，且基底最大壓應力與最小壓應力之比不宜大于2.0”，與《水工擋土墻設計規(guī)范》要求的“1在各種計算情況下，擋土墻平均基底應力不大于地基允許承載力，最大基底應力不大于地基允許承載力的1.2倍。2擋土墻基底應力的最大值與最小值之比”［4］按工況和地基土質不同而不大于1.5～3.0不同，對于灌溉工程輸水壓力管道上鎮(zhèn)墩地基應力各工況需滿足的標準是一樣的，兩種水工建筑物穩(wěn)定要求有差別，這點在設計中需要注意。

5　結束語

以上是筆者結合某地抗旱應急工程設計工作實際，對中、小、微型農田水利工程提水泵站輸水管道上鎮(zhèn)墩計算中常遇到的問題所提出解決方法和幾點設計體會，為相關工程設計同行提供參考，確保壓力管道工程安全、經濟。

［1］左東啟，顧兆勛，王文修，等.水工設計手冊［M］.北京：水利電力出版社，1989：7-192.

［2］SL482-2011.灌溉與排水渠系建筑物設計規(guī)范［S］.

［3］SL281-2003.水電站壓力鋼管設計規(guī)范［S］.

［4］SL379-2007.水工擋土墻設計規(guī)范［S］.

Analysis and Discussion on the Pier Stability of Small Water Conveyance Project

Liu Ke
（Zhengzhou Water Conservancy Construction Survey Design Institute，ZhengzhouHenan 450006）

In hilly areas，the construction of pumping water irrigation is widely used in small，micro droughtengineer?ing construction projects，water mainsand pipelines have thecharacteristics of small flow and large pressure，the key part ofpressure pipeline-town pier is very important for the safe operation of the pipeline.Theengineering design of drought emergency in a hilly area is taken as an example，according to the current water conservancy norms，com?bined with the characteristicsof pressure pipeline in small-scale water conservancy engineering，analysis on several problems inthe designof thekey part of pipeline-town pier was conducted，communicationand discussion with rele?vant engineering design personnel were carried out.

pressure pipeline pier；stability analysis；discuss

S277

A

1003-5168（2015）05-0062-3

2015-4-28

劉克（1980-），男，本科，工程師，研究方向：水利水電工程設計。