山區(qū)長距離輸水管線鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 娜，王 力，景孟旗

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

山區(qū)長距離輸水管線鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張 娜，王 力，景孟旗

(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002)

在山區(qū)長距離輸水管線設(shè)計(jì)中，往往存在鎮(zhèn)墩數(shù)量大、種類多的問題，給設(shè)計(jì)工作帶來諸多困難。本文在對鎮(zhèn)墩所受荷載進(jìn)行分析后，對鎮(zhèn)墩型式進(jìn)行總結(jié)歸納，在很大程度上減少了鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)計(jì)算工作量，并以某水利樞紐工程灌區(qū)輸水管道為例，對幾種不同類型的鎮(zhèn)墩進(jìn)行計(jì)算分析，為同類工程提供借鑒。

鎮(zhèn)墩；型式；優(yōu)化

輸水管線上的鎮(zhèn)墩主要布置在轉(zhuǎn)角和地勢起伏處，是用來保證輸水管道安全運(yùn)行的建筑物。一般由鋼筋混凝土澆筑而成，靠自重固定管道，以抵抗因水流改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力，使管道在此處不產(chǎn)生任何方向的位移進(jìn)而維持穩(wěn)定。鎮(zhèn)墩分水平轉(zhuǎn)角、垂直轉(zhuǎn)角等幾種型式[1]。

鎮(zhèn)墩作為輸水管線中的重要建筑物，其安全性直接關(guān)系到灌區(qū)功能、效益的實(shí)現(xiàn)。另外，鎮(zhèn)墩內(nèi)管道的布置形式復(fù)雜、受力條件變化較大。因此，在鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算校核，也要對它的結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行論證[2-3]。

1 工程概況

某水利樞紐中一條供水管線長61 km，管道設(shè)計(jì)流量Q=0.776 m3/s，管材為DN 900球墨鑄鐵管，管道沿線設(shè)計(jì)工作水頭較大，最大水頭230 m。

在敷設(shè)管道時，為防止管道內(nèi)水壓力通過彎頭、三通、堵頭及岔管等處產(chǎn)生拉力，以致接頭產(chǎn)生松動脫節(jié)現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)管內(nèi)壓力大小、土壤條件好壞，考慮是否須要設(shè)置鎮(zhèn)墩。根據(jù)地形、地質(zhì)資料及管線走向共確定1038個鎮(zhèn)墩。由于鎮(zhèn)墩數(shù)量龐大、種類繁多、設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力大、地質(zhì)條件多變等諸多因素，造成鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中計(jì)算量非常大。

2 鎮(zhèn)墩分類統(tǒng)計(jì)

在鎮(zhèn)墩分類過程中，首先借助AutoCAD軟件，提取空間坐標(biāo)系下地形圖里面的鎮(zhèn)墩中心點(diǎn)坐標(biāo)，并計(jì)算管線空間轉(zhuǎn)角。鎮(zhèn)墩一般分為水平向鎮(zhèn)墩，垂直向鎮(zhèn)墩兩類。其中垂直向鎮(zhèn)墩又包括垂直上彎鎮(zhèn)墩與垂直下彎鎮(zhèn)墩兩種。按照水平及豎直轉(zhuǎn)角的相對大小，進(jìn)行水平和豎直轉(zhuǎn)角的第一次分類；根據(jù)鎮(zhèn)墩前后管線豎向轉(zhuǎn)角的相對關(guān)系，進(jìn)行上凸和下凹兩類鎮(zhèn)墩的第二次分類；另外，對于大坡度管道穿鎮(zhèn)墩時，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，設(shè)置特殊鎮(zhèn)墩。

3 鎮(zhèn)墩分類計(jì)算

本著節(jié)約工程量和簡化計(jì)算模型的原則，對鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力和轉(zhuǎn)角進(jìn)行了進(jìn)一步分類計(jì)算。

3.1 水平鎮(zhèn)墩

由于多山地區(qū)外界環(huán)境復(fù)雜多變，鎮(zhèn)墩多為空間轉(zhuǎn)角，即便鎮(zhèn)墩型式歸為水平鎮(zhèn)墩，如圖1所示，但是在豎直方向上，仍有較小的轉(zhuǎn)角，因此計(jì)算時，應(yīng)注意豎向轉(zhuǎn)角對鎮(zhèn)墩高度方向的要求。且豎向轉(zhuǎn)角為上凸時，對鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定不利。結(jié)合本工程實(shí)例，本著節(jié)約工程量及簡化計(jì)算量的原則進(jìn)行了鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)計(jì)算，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖1 水平鎮(zhèn)墩平面圖

編號L1(L)/mL2/mB/mH/mα/(°)H0/mDN/mFz/kNR/kNfKσminσmaxK0A120-232420030009269599405136262136423A230-2335200700096035232005130394205122A32533253035050009770828690513413367822A42524252850030009642624200513312362624A5252425455005000910565403305131202102915A633292545650500091348951270513219197519

水平鎮(zhèn)墩計(jì)算時，鎮(zhèn)墩平面為矩形時，當(dāng)水平拐角增大時，寬度也會對應(yīng)增加，如表2，驗(yàn)算水平轉(zhuǎn)角α=35°時，矩形鎮(zhèn)墩和多邊形鎮(zhèn)墩的選擇，當(dāng)B取2.5 m時，A3-1鎮(zhèn)墩高度加大到6 m，地基應(yīng)力達(dá)到670 kPa。為降低基底應(yīng)力需加大底面積，當(dāng)L增大時，Bmin相應(yīng)增加，開挖量增加，且混凝土量也大于五邊形鎮(zhèn)墩。因此，當(dāng)水平轉(zhuǎn)角α<35°時，選擇平面矩形鎮(zhèn)墩；當(dāng)水平轉(zhuǎn)角α>35°時，選擇平面五邊形鎮(zhèn)墩。

表2 水平鎮(zhèn)墩對比計(jì)算

3.2 上凸鎮(zhèn)墩

根據(jù)地形變化，上凸鎮(zhèn)墩如圖2所示分為兩種：①鎮(zhèn)墩前后管線夾角均不為0，即Ψx≠0，Ψs≠0；②鎮(zhèn)墩前后管線夾角其一為0，即Ψx=0或Ψs=0；以B1型鎮(zhèn)墩為例，當(dāng)管線走向如②時，Ψs=12°，Ψx=8°(Ψs+Ψx=20°)此時抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為6.38；當(dāng)管線走向如①時，Ψs=0°，Ψx=20°，此時抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K為1.32。當(dāng)鎮(zhèn)墩轉(zhuǎn)角為情況②時，作為控制計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表3。

圖2 凸鎮(zhèn)墩剖面圖

編號L/mB/mH/mΨs/(°)Ψx/(°)H0/mDN/mFz/kNR/kNfKσminσmaxK0HminB11521250020040009609230051321075591622B222213000200700091130403051401166012123B34321500050070009629823860513231116192345B1?11521251208040009590460564502617720

另外，由表3，上凸鎮(zhèn)墩因豎向轉(zhuǎn)角問題，對高度有相應(yīng)要求，根據(jù)鎮(zhèn)墩長度及轉(zhuǎn)角計(jì)算出Hmin，鎮(zhèn)墩實(shí)際高度均大于Hmin。

3.3 下凹鎮(zhèn)墩

根據(jù)地形變化，下凹鎮(zhèn)墩如圖3所示分為兩種：①鎮(zhèn)墩前后管線夾角均不為0，即Ψx≠0，Ψs≠0；②鎮(zhèn)墩前后管線夾角其一為0，即Ψx=0或Ψs=0。根據(jù)上凸鎮(zhèn)墩的計(jì)算分析，同樣，當(dāng)下凹鎮(zhèn)墩轉(zhuǎn)角為情況②時，作為控制計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表4。

圖3 下凹鎮(zhèn)墩剖面圖

編號L/mB/mH/mΨs/(°)Ψx/(°)H0/mDN/mFz/kNR/kNfKσminσmaxK0HminC11222200020011000948546330538233730384621C2212528004001100091039324560521296238513228

下凹鎮(zhèn)墩較水平及上凸鎮(zhèn)墩是偏安全鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算時，不僅要滿足計(jì)算要求，還要滿足結(jié)構(gòu)及地基應(yīng)力要求，因此抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計(jì)算值要偏大。

3.4 特殊鎮(zhèn)墩

如圖4所示，對于大坡度管道穿鎮(zhèn)墩時，根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，對鎮(zhèn)墩的高度要求較大，此時為了滿足地基承載力，又需要加大鎮(zhèn)墩底面積，浪費(fèi)較多的工程量。為此設(shè)置特殊鎮(zhèn)墩，滿足此類鎮(zhèn)墩需求。計(jì)算結(jié)果見表5。

圖4 特殊鎮(zhèn)墩剖面圖

編號m1m2B/mL/mH1/mΨs/(°)Ψx/(°)H0/mDN/mFz/kNR/kNfKσminσmaxK0D042720202020022010000950811905211212203043

3.5 計(jì)算結(jié)果匯總

根據(jù)表6計(jì)算結(jié)果，鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定(K>1.3)、地基承載力(σmin>0 kPa；σmax<400 kPa)、抗傾系數(shù)(K0>1.5)均滿足計(jì)算要求。

通過計(jì)算，將1038個鎮(zhèn)墩進(jìn)行合理分類，共計(jì)12種，既大大簡化了計(jì)算工作量，又節(jié)約了工程量。因此，該計(jì)算方法，對于山區(qū)長距離輸水管線鎮(zhèn)墩的計(jì)算將有實(shí)際的借鑒意義。

表6 計(jì)算結(jié)果匯總表

4 結(jié) 論

本文在對鎮(zhèn)墩進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實(shí)例，對鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，在計(jì)算過程中不斷優(yōu)化計(jì)算模型，簡化了計(jì)算工作量，且經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)，所設(shè)計(jì)鎮(zhèn)墩均能保證管線安全運(yùn)行。

[1] 李惠英，田文鐸，閻海新. 倒虹吸管——取水輸水建筑物叢書[M]. 北京: 中國水利水電出版社，2009.

[2] 胡連超, 蔣愛辭, 康迎賓. 水平彎管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析[J]. 水利建設(shè)與管理, 2016, 36(6):32-36.

[3] 譚永華, 許長紅, 昌彩霞. 關(guān)于鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算的探討[J]. 湖南水利水電, 2011(3):29-30.

張 娜(1990-)，女，河北衡水人，助理工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)工作。E-mail:1165968274@qq.com。

TV222.1

A

2096-0506(2017)10-0060-04