水平彎管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析

胡連超　蔣愛辭　康迎賓

(1.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州　450004；2.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南 鄭州　450003；3.華北水利水電大學，河南 鄭州　450011)

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水平彎管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析

胡連超1蔣愛辭2康迎賓3

(1.中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州450004；2.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南 鄭州450003；3.華北水利水電大學，河南 鄭州450011)

【摘要】本文依據相關規(guī)范，對水平彎管鎮(zhèn)墩所受荷載進行總結，并以南水北調中線配套工程為例，對水平轉角不同的四個典型彎管鎮(zhèn)墩進行安全分析。分析認為在不同水平轉角下，鎮(zhèn)墩在抗滑穩(wěn)定、地基承載能力、抗傾穩(wěn)定性以及防裂等幾方面均能滿足規(guī)范要求。

【關鍵詞】鎮(zhèn)墩； 水平彎管； 安全分析； 要求

鎮(zhèn)墩主要布置在水電站、抽水站出水管及供水工程壓力管的轉角和伸縮節(jié)安裝處，是用來保證各管段安全的建筑物。一般由混凝土澆筑而成，靠自重固定鋼管，承受因水管改變方向而產生的軸向不平衡力，使水管在此處不產生任何方向的位移進而維持穩(wěn)定[1]。鎮(zhèn)墩分平面轉角、垂直轉角、三通等幾種型式。

鎮(zhèn)墩作為供排水工程中的重要建筑物，其安全性直接關系到水電站、抽水站功能、效益的實現(xiàn)；另外鎮(zhèn)墩內壓力鋼管的布置形式復雜、受力條件變化較大。因此，在鎮(zhèn)墩設計中，必須滿足工程安全需要。不僅要對其抗滑、抗傾、地基承載力進行計算校核，同時也要對它的結構合理性進行論證。

1作用在鎮(zhèn)墩上的力

水平彎管鎮(zhèn)墩承受的載荷主要有壓力管道傳遞來的荷載、鎮(zhèn)墩自身重力、垂直覆土壓力、被動土壓力、主動土壓力、地基的摩阻力，有地下水的地方還要考慮浮力以及地基反力。

1.1壓力管道傳遞來的荷載

水平彎管傳遞給鎮(zhèn)墩的荷載主要包括：水平方向的彎管外推力及豎直方向荷載。對于水平彎管，外推力主要是水流離心力、內水壓力、水流與管壁摩擦力、因溫度變化而產生的應力等多種荷載沿管軸方向的合力[2]；豎直方向荷載是由水平彎管的法向力組成，主要包括鎮(zhèn)墩中鋼管的自重及鋼管中的水重。

1.1.1彎管外推力

水平外推力Fpw是由水流離心力、內水壓力、水流與管壁摩擦力、因溫度變化而產生的應力等幾種軸向力綜合而成的。

a.彎管處水流離心力R1。

(1)

式中D0——管道內徑；

V——管中水流的速度；

g——重力加速度；

γw——水的容重。

b.彎管處內水壓力產生的軸向力P。

(2)

式中D0——管道內徑；

P0——壓力管道最大內水壓力。

c.水流與管壁摩擦產生的拖曳力R2。

(3)

式中γw——水的容重；

D0——管道內徑；

hf——管道沿程水頭損失。

d.溫度變化時管道產生的軸向力。由于地下埋管每隔3～5m要進行分節(jié),管節(jié)之間設有柔性接頭,功能相當于伸縮節(jié),允許管道有足夠伸縮變形；另外鋼管埋在地下,受溫度影響小，溫度變化不大[3]。故因溫度改變而導致管道產生的軸向力可忽略不計。

綜上所述，水平外推力Fpw公式：

(4)

式中α——水平彎管的轉彎角度。

1.1.2豎直方向荷載

對于水平彎管，作用在垂直管軸線方向的力[4]主要有以下兩個。

a.鋼管自重G1K。

(5)

(6)

式中qg——單位管長鋼管的自重；

L——鎮(zhèn)墩長度；

D0——管道內徑；

t——管道壁厚；

γg——鋼管容重。

b.管中水重G2K。

(7)

(8)

式中qs——單位管長的水重；

γw——水的容重。

1.2鎮(zhèn)墩自重Gzd

(9)

式中B——鎮(zhèn)墩寬度；

H——鎮(zhèn)墩高度；

L——鎮(zhèn)墩長度；

D0——管道內徑；

t——管道壁厚；

γh——混凝土的容重。

1.3垂直土壓力Fsv

(10)

式中B——鎮(zhèn)墩寬度；

h1——鎮(zhèn)墩的墩頂距地面埋深高度；

L——鎮(zhèn)墩長度；

γs——土的容重。

1.4被動土壓力Epk

(11)

式中φ——土壤內摩擦角；

h1——鎮(zhèn)墩墩頂距地面的埋深高度；

h2——鎮(zhèn)墩墩底距地面的埋深高度；

γs——土的容重；

L——鎮(zhèn)墩長度。

1.5主動土壓力Eep

(12)

式中φ——土壤內摩擦角；

h1——鎮(zhèn)墩墩頂距地面的埋深高度；

h2——鎮(zhèn)墩墩底距地面的埋深高度；

γs——土的容重；

L——鎮(zhèn)墩長度。

1.6滑動摩擦力Fsk

(13)

式中f——鎮(zhèn)墩與底面土壤的摩擦系數(shù)；

2水平鎮(zhèn)墩安全分析

鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析主要包括抗滑穩(wěn)定校核、地基承載能力校核、抗傾穩(wěn)定性分析以及防裂分析四部分。參考相關規(guī)范，安全穩(wěn)定分析方法及要求如下。

a.抗滑穩(wěn)定。

(14)

式中K——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

Fsk——鎮(zhèn)墩與底面土壤的滑動摩擦力；

T——土壓力造成的鎮(zhèn)墩阻力，T=Epk-Eep；

Fpw——水平外推力。

鎮(zhèn)墩在承受各種力的情況下，計算所得的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，即K≥[Kc]。

b.地基承載力。

(15)

A——鎮(zhèn)墩底面積；

W——鎮(zhèn)墩底面的抗彎截面模量。

鎮(zhèn)墩基底應力最大值不得超過地基允許承載力，即Pmax≤[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]。

c.抗傾覆穩(wěn)定。

(16)

式中ζ——抗傾系數(shù)；

MD——鎮(zhèn)墩上的抗傾力矩總和；

MQ——傾覆力矩總和。

鎮(zhèn)墩上抗傾系數(shù)不小于允許抗傾系數(shù)值，即ζ≥[ζ]。

d.防裂分析。水平鎮(zhèn)墩轉彎處包裹壓力鋼管的上部、左右兩側的混凝土，抗拉能力極低，因此在壓力鋼管內水壓力發(fā)生微小變化，或者壓力鋼管發(fā)生微小膨脹時都將會出現(xiàn)裂縫[5]。

在鎮(zhèn)墩薄弱斷面應有足夠厚度的混凝土或者在此處適當配置一些鋼筋，防止鎮(zhèn)墩表面被拉裂。

3案例分析

3.1工程概況

南水北調中線配套工程焦作受水區(qū)，設計總分配水量2.69億m3，包括5條輸水線路，即25號溫縣輸水線路、26號博愛輸水線路、27號府城輸水線路、28號蘇藺輸水線路、28號修武輸水線路。其中26號輸水線路(樁號K0+000～K28+237.806),分為4個標段，即02標段、03標段、04標段、05標段。輸水管道采用預應力鋼筋混凝土管(簡稱PCCP)地下埋管，總長度為28.24km，管道內徑為1400mm,設計流量為1m3/s。其中施工05標段(K22+190～K28+237.806)，該標段管線長度大、管線復雜、轉角多，因此在管線沿途埋設多個鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩多為水平彎管鎮(zhèn)墩，材料為C25鋼筋混凝土，內包裹有與PCCP管內徑相同的壓力鋼管。在鎮(zhèn)墩外側槽內灌入C15混凝土，鎮(zhèn)墩底部布置有100mm厚的C10混凝土墊層。另外在鎮(zhèn)墩內側和頂部填上土壤，并加以振搗壓實。鎮(zhèn)墩平面、斷面示意圖如圖1、圖2所示。

圖1　鎮(zhèn)墩平面示意圖

圖2　鎮(zhèn)墩斷面示意圖

3.2鎮(zhèn)墩設計參數(shù)

該次安全分析，按地下埋管水平轉角的不同，參照工程施工圖，分0°～15°，15°～45°,45°～75°,75°～90°四個區(qū)間，并且在每個區(qū)間分別取1個典型鎮(zhèn)墩進行安全分析，所選鎮(zhèn)墩編號如下：TH50、TH52、TH58、TH63 。設計參數(shù)如表1所列。

表1　鎮(zhèn)墩設計參數(shù)值

查閱相關設計資料[6]、施工圖紙，壓力鋼管最大內水壓力P0=0.8MPa，土壤內摩擦角φ=30°，鎮(zhèn)墩底與基礎間的摩擦系數(shù)f=0.35，鎮(zhèn)墩覆土埋深參數(shù)h1、h2數(shù)據值如表2所列。

表2　鎮(zhèn)墩覆土埋深參數(shù)值

3.3荷載計算值

參照以上公式及鎮(zhèn)墩各參數(shù)值，分別計算出壓力管道傳遞來的荷載、鎮(zhèn)墩自身重力、垂直土壓力等荷載值。計算結果如表3所列。

3.4安全分析

依據安全分析各公式、鎮(zhèn)墩設計參數(shù)值及荷載計算值，對水平彎管鎮(zhèn)墩進行安全分析，計算結果如表4所列。

表3　鎮(zhèn)墩上荷載計算值

表4　鎮(zhèn)墩安全分析計算結果

4結論

參考四種不同的水平轉角下安全分析的數(shù)值并結合工程實際情況，分析得：?鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于允許值，其中[Kc]取值為1.5，因此抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；?鎮(zhèn)墩基底應力最大值均小于地基允許承載力[P]，基底應力最小值Pmin均大于零，基底應力不均勻系數(shù)均小于允許值[η]，其中[P]取值為160kN/m2、[η]取值為1.50，因此鎮(zhèn)墩基底應力也能滿足要求；?鎮(zhèn)墩抗傾系數(shù)均大于允許抗傾系數(shù)值[ζ]，其中[ζ]取值為2，因此能滿足鎮(zhèn)墩抗傾要求；?在鎮(zhèn)墩施工設計過程中，在鎮(zhèn)墩上下、內外側分別配置了直徑為14mm的HPB235級構造鋼筋，另外在鎮(zhèn)墩抗力側也有一定厚度的混凝土，因此完全能夠滿足鎮(zhèn)墩抗裂要求。

結論：水平彎管鎮(zhèn)墩在不同轉角情況下，其安全穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求；實際現(xiàn)場施工過程中，不同轉角的水平彎管鎮(zhèn)墩的安全穩(wěn)定性較好。

參考文獻

[1]GB 50265—2010泵站設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[2]SL 379—2007.水工擋土墻設計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社,2007.

[3]DL 5077—97水工建筑物荷載設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，1997.

[4]魏秉華.給水排水設計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[5]揚州水利學校.抽水機與抽水站[M].北京：水利出版社，1982.

[6]左東啟.水工建筑物[M].南京:河海大學出版社，1995.

Analysis on stability of side bend anchorage block

HU Lianchao1,JIANG Aici2,KANG Yingbin3

(1.Chinese Construction Seventh Engineering Division Co.,Ltd.,Zhengzhou 450004,China; 2.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China; 3.North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450011,China)

Abstract：In the paper,load on side bend anchorage block is summarized.Midline supporting project of south-to-north water conversion is adopted as an example.The safety of four typical side bend anchorage blocks with different horizontal angles is analyzed.It is believed by analysis that the anchorage block can meet requirements in the specification in the aspects of anti-sliding stability,foundation bearing capacity,anti-inclining stability,crack resistance,etc.under different horizontal angles.

Key words：anchorage block; side bend; safety analysis; requirement

DOI:10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.06.009

中圖分類號：TV68

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2016)06-0032-05