淺談供水工程鎮(zhèn)墩設(shè)計

劉 倩，楊勇智

(陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710018)

鎮(zhèn)墩是供水工程中一個重要的水工建筑物，運行中鎮(zhèn)墩一旦出問題，將造成非常嚴重的后果。結(jié)合某市引黃供水工程，其屬于為城市及廠礦供水工程，工程布設(shè)七級10座泵站梯級抽水，總裝機容量50 MW。依據(jù)《調(diào)水工程設(shè)計導(dǎo)則》(GB50201—94)確定其為Ⅲ等中型供水工程。

該工程引水管道全長超過30 km，輸水主要采用DN1000～DN1200球墨鑄鐵管，輸水流量1.38 m3/s，按照輸水線路管道規(guī)范要求，沿程需設(shè)大量鎮(zhèn)墩。

本文主要通過對的鎮(zhèn)墩的設(shè)計計算，選取合理的工程措施，總結(jié)一些鎮(zhèn)墩的經(jīng)驗，僅供參考。

1 供水工程鎮(zhèn)墩的設(shè)計

我國現(xiàn)行的鎮(zhèn)墩設(shè)計依據(jù)是《小型水力發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》與《泵站設(shè)計規(guī)范》。根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合已建工程成功案例及失事破壞的經(jīng)驗，鎮(zhèn)墩的設(shè)計需要完成抗滑，抗傾覆、地基應(yīng)力等的驗算，為采取合理的措施，預(yù)防墩體裂縫的產(chǎn)生，在鎮(zhèn)墩設(shè)計時應(yīng)該滿足以下基本條件:

(1)抗滑穩(wěn)定。保證鎮(zhèn)墩在各種力作用下，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

(2)地基應(yīng)力。鎮(zhèn)墩的地基設(shè)計應(yīng)力大于鎮(zhèn)墩的地基實際承載力。

(3)抗傾覆穩(wěn)定。對高度較大的鎮(zhèn)墩，其建基面距離鋼管合理作用點距離較大，需要進行抗傾覆穩(wěn)定驗算，以防止鎮(zhèn)墩傾覆。

(4)裂縫限制。對于上凸彎管(管段坡度上部緩下部陡)上的鎮(zhèn)墩，應(yīng)采取措施，保證鎮(zhèn)墩不發(fā)生腰線開裂或者控制其開裂。

(5)不發(fā)生扭轉(zhuǎn)。當(dāng)壓力鋼管存在平面轉(zhuǎn)彎的時候，要防止其發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

2 鎮(zhèn)墩設(shè)計計算

輸水線路長，根據(jù)設(shè)計需要鎮(zhèn)墩布設(shè)150～250 m布設(shè)一個鎮(zhèn)墩，由于沿線鎮(zhèn)墩水平夾角，豎直方向夾角，輸水管道及地質(zhì)條件各不相同，因此進行鎮(zhèn)墩的體積設(shè)計需要大量的計算，才能使設(shè)計的鎮(zhèn)墩體型便于現(xiàn)場施工，降低工程造價。

2.1 設(shè)計分析

當(dāng)輸水線路確定后，且鎮(zhèn)墩的設(shè)置原則明確后，鎮(zhèn)墩所受外力有:鎮(zhèn)墩上段鋼管對鎮(zhèn)墩作用力與鎮(zhèn)墩下段鋼管對鎮(zhèn)墩作用力。而鎮(zhèn)墩體型設(shè)計的目的，就是滿足鎮(zhèn)墩在合力作用下，其抗滑，抗傾覆、地基應(yīng)力等應(yīng)滿足規(guī)范要求。

(1)對于鎮(zhèn)墩的抗滑驗算，抗滑安全系數(shù)的計算，由計算公式(1)。

式中:KC為計算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)、[KC]為允許的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，f為鎮(zhèn)墩基底摩擦系數(shù)，ΣY為鎮(zhèn)墩所受豎直向的合力，ΣX為墩所受水平向的合力，G為鎮(zhèn)墩重量。鎮(zhèn)墩所受外力及摩擦系數(shù)，依照實際情況確定，因此可知鎮(zhèn)墩抗滑系數(shù)的大小，與鎮(zhèn)墩的重量成正比。

(2)對于鎮(zhèn)墩的地基應(yīng)力的計算，由計算公式(2)。

式中:為作用在地基上的最大或最小應(yīng)力，B為鎮(zhèn)墩沿管軸方向的底面寬度，L為鎮(zhèn)墩垂直管軸線方向的底面長度，e為合力作用點對鎮(zhèn)墩底面形心的偏心距，[R]為地基的允許承載力。

由上分析可知，當(dāng)鋼管線路確定后，鎮(zhèn)墩受輸水鋼管的合力ΣY是一定的，而地基所能承受的應(yīng)力[R]也可根據(jù)地質(zhì)情況確定，因此當(dāng)鎮(zhèn)墩重量G一定時，底面積越大，計算的鎮(zhèn)墩所受的地基應(yīng)力就相應(yīng)的較小些。

(3)對于鎮(zhèn)墩的抗傾覆的問題，由計算公式(3)。

式中:K0為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)、[K0]為允許的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)、y0為作用在鎮(zhèn)墩上的垂直合力的作用點距傾覆原點的距離(m)、x0為作用在鎮(zhèn)墩上的水平合力的作用點距傾覆原點的距離(m)。

由鎮(zhèn)墩的受力可知，鎮(zhèn)墩的傾覆力矩(對鎮(zhèn)墩度面外側(cè)邊緣點)是鎮(zhèn)墩所受外力的合力的水平分力產(chǎn)生的力矩，而抗傾覆的力矩為鎮(zhèn)墩自重和合力的垂直分力產(chǎn)生。當(dāng)輸水管道中心高程不變時，鎮(zhèn)墩的自重與鎮(zhèn)墩重心的位置是影響抗傾覆驗算的主要因素。因此，在擬定鎮(zhèn)墩尺寸時，應(yīng)盡量降低鎮(zhèn)墩中心距鎮(zhèn)墩底面的高度?；蛘呒哟箧?zhèn)墩重心距離鎮(zhèn)墩邊緣的水平距離。

2.2 體型設(shè)計

按照鎮(zhèn)墩的設(shè)計要求，鎮(zhèn)墩計算一般應(yīng)該考慮正常運行與停機工況，在不同的工況下對鎮(zhèn)墩的體型的都得進行抗滑，抗傾覆、地基應(yīng)力等驗算，得出滿足要求的鎮(zhèn)墩體型。而鎮(zhèn)墩體型的選定是一個反復(fù)驗算與迭代的過程，對于那些數(shù)量較少且受力相近的鎮(zhèn)墩，可以通過初步擬定鎮(zhèn)墩體型，嘗試手算;但是對于那些數(shù)量多且受力不同的鎮(zhèn)墩，體型設(shè)計驗算工作量很大會給設(shè)計帶來不便。

由以上的鎮(zhèn)墩設(shè)計分析，可以得出，當(dāng)鎮(zhèn)墩重量一定時，設(shè)計中為了使鎮(zhèn)墩體型優(yōu)化盡可能最小，可以使鎮(zhèn)墩底面，長與寬取較大的數(shù)值(沿管道方向為鎮(zhèn)墩的長)，應(yīng)盡量降低鎮(zhèn)墩中心距鎮(zhèn)墩底面的高度，這樣可以降低地基的應(yīng)力，也能使鎮(zhèn)墩計算的抗傾覆安全系數(shù)更大，鎮(zhèn)墩更安全。

因此設(shè)計中，在初擬鎮(zhèn)墩體型時，以滿足鋼管外包混凝土厚度的情況下，可相應(yīng)的取大鎮(zhèn)墩底面積，來降低鎮(zhèn)墩高度。驗算鎮(zhèn)墩體型的過程中，可以利用 EXCEL，通過設(shè)置鎮(zhèn)墩的體型條件，使鎮(zhèn)墩由最小體積為0.001 m3，并以增加0.001 m3的體積進行循環(huán)迭代，在此迭代過程中，針對鎮(zhèn)墩體型分別進行地基承載力、抗滑、抗傾覆的驗算。驗算時以是否滿足規(guī)范要求為目標(biāo)函數(shù)，程序會自行進行體型的調(diào)整，直至滿足地基承載力、抗滑、抗傾覆的驗算，最終得到結(jié)果是能滿足各項要求的最小體積的體型尺寸。

3 結(jié)語

鎮(zhèn)墩是供水工程中常遇到的水工建筑物，設(shè)計時應(yīng)對鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定、地基應(yīng)力、抗傾覆穩(wěn)定進行嚴密的計算，在滿足安全的條件下，盡可能地優(yōu)化鎮(zhèn)墩的體型以減少鎮(zhèn)墩的體積，增加鎮(zhèn)墩的安全性，降低工程造價，便于施工。

通過分析鎮(zhèn)墩計算的公式以及鎮(zhèn)墩體形的優(yōu)化設(shè)計，提出通過EXCEL的宏進行反復(fù)循環(huán)迭代計算，在所有計算參數(shù)滿足規(guī)范要求的前提下得出最小的鎮(zhèn)墩體形的方法。