長(zhǎng)距離輸水工程壓力管道地埋鎮(zhèn)墩標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

楊啟功

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510630)

0 引 言

在水利水電工程以及油氣管道等工程的建設(shè)中，建造鎮(zhèn)墩最大的作用是用來防止壓力管道出現(xiàn)位移，起到了固定以及承重的作用。在工程建設(shè)當(dāng)中，常見的地埋壓力管道都會(huì)采用閉合式鎮(zhèn)墩，尤其是在長(zhǎng)距離的輸水工程項(xiàng)目當(dāng)中，使用地埋式鎮(zhèn)墩能夠滿足管道回彎以及轉(zhuǎn)折處的穩(wěn)定要求。目前，鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)與建造還未形成一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所能夠參考的手冊(cè)和依據(jù)也較少，因而在進(jìn)行長(zhǎng)距離輸水管道鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)過程中，如何制定出一整套高效率、高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)成為了一個(gè)亟待解決的難題。因而我們只能在實(shí)際建設(shè)過程中，不斷對(duì)鎮(zhèn)墩尺寸擬定以及穩(wěn)定計(jì)算的方式進(jìn)行優(yōu)化，以便可以在節(jié)省人力物力的同時(shí)，大幅度提升工程建設(shè)的精度。

1 地埋鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)類型

將地埋鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行歸納和整理是進(jìn)行鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)化的根基。根據(jù)輸水管道轉(zhuǎn)彎處的空間以及功能的不同，可以將地埋鎮(zhèn)墩細(xì)分為以下四種不同的類型：平面鎮(zhèn)墩、立面鎮(zhèn)墩、復(fù)合鎮(zhèn)墩以及構(gòu)造鎮(zhèn)墩。具體來講，平面鎮(zhèn)墩一般被應(yīng)用在輸水管道的立面無縱坡處，僅作為平面輸水管道上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)使用；立面鎮(zhèn)墩則通常被用在輸水管道的平面無轉(zhuǎn)折處，被用作立面存在著縱坡位置的點(diǎn)位上；復(fù)合鎮(zhèn)墩通常情況下被應(yīng)用在輸水管道的平面轉(zhuǎn)折點(diǎn)與立面縱坡處的重合點(diǎn)位上；而構(gòu)造鎮(zhèn)墩的應(yīng)用則常常會(huì)結(jié)合輸水管道實(shí)際建設(shè)情況，來設(shè)置在無轉(zhuǎn)折點(diǎn)的平直管道段內(nèi)。

1.1 平面鎮(zhèn)墩

依據(jù)輸水管線平面圓心角大小的不同，又可以將平面鎮(zhèn)墩劃分為大轉(zhuǎn)角五邊形地埋鎮(zhèn)墩和小轉(zhuǎn)角矩形地埋鎮(zhèn)墩兩大類，其具體如圖1所示。矩形地埋鎮(zhèn)墩適用于在輸水管線上既沒有平面轉(zhuǎn)彎也沒有立面縱坡的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，而大轉(zhuǎn)角的矩形地埋鎮(zhèn)墩的使用位置則需要首先利用公式推導(dǎo)出界限角的大小之后再結(jié)合實(shí)際建設(shè)情況加以確定。

1.2 立面鎮(zhèn)墩

立面鎮(zhèn)墩又可以依據(jù)輸水管線走向的不同和立面鎮(zhèn)墩縱坡坡度大小的不同細(xì)分為4種不同的類型，其具體如圖2所示。如圖中所示，立面鎮(zhèn)墩的四種不同的類型基本涵蓋了在諸如輸水以及油氣工程中所有可能遇到的情況，而為了將輸水管道的推力進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)程序化的判定和計(jì)算，還能夠?qū)㈡?zhèn)墩彎管的類型劃分為上行彎管和下行彎管兩大類[1]。其中，上行彎管上面的作用力方向朝向?yàn)樾毕路?，?jì)算鎮(zhèn)墩穩(wěn)定力時(shí)，作用力中向下的豎向分量起著積極的作用；而下行彎管上面的作用力朝向?yàn)樾鄙戏?，在進(jìn)行鎮(zhèn)墩穩(wěn)定力的計(jì)算時(shí)，彎管上面的豎向分量起到了消極的作用。因而我們可以得出以下結(jié)論：Ⅰ型立面鎮(zhèn)墩是一種典型的下行彎管，Ⅲ型立面鎮(zhèn)墩則為一種典型的上行彎管；而對(duì)于Ⅱ型立面鎮(zhèn)墩來講，由于它的α都是位于水平面之下，則可以推斷出其所對(duì)應(yīng)的輸水管道縱坡坡度值為負(fù)數(shù)，在α>β的情況下，則可以將其看作為下行彎管，而在α<β的情況下，則可以將其看作為上行彎管；對(duì)于Ⅳ型立面鎮(zhèn)墩，我們可以看出α都是位于水平面的上方，其所對(duì)應(yīng)的輸水管道縱坡坡度值都是正值，在α<β的情況下，則可以將其看作下行彎管，在α>β的情況下，則可以將其看作為上行彎管。在上述的計(jì)算過程中，α和β都是絕對(duì)值，而且α和β還存著一定的函數(shù)關(guān)系。

(a)小轉(zhuǎn)角平面鎮(zhèn)墩 (b)大轉(zhuǎn)角平面鎮(zhèn)墩

此外，對(duì)于立面鎮(zhèn)墩來說，在α=0的特殊情況下，在β位于水平面之上時(shí)，則將其看作Ⅲ型立面鎮(zhèn)墩上行彎管，而在β位于水平面之下時(shí)，則可以將其歸類為Ⅰ型立面鎮(zhèn)墩下行彎管；在β=0的特殊情況下，當(dāng)α處在水平面上方時(shí)，則可以將其看作為Ⅲ型立面鎮(zhèn)墩上行彎管，在α處于水平面之下時(shí)，則可以將其歸類為Ⅰ型立面鎮(zhèn)墩下行彎管。綜上所言，對(duì)地埋鎮(zhèn)墩進(jìn)行科學(xué)、合理劃分和歸類，能夠?yàn)檩斔艿缽澒芷ヅ浜侠淼逆?zhèn)墩和對(duì)地埋鎮(zhèn)墩進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的程序計(jì)算提供極大的方便。

2 地埋鎮(zhèn)墩尺寸標(biāo)準(zhǔn)

將輸水管線外包混凝土的厚度b作為地埋鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸的具體控制性參數(shù)，以及通過對(duì)混凝土厚度b數(shù)值的調(diào)整來改變地埋鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)和尺寸，從而使得鎮(zhèn)墩的抗滑行和穩(wěn)定性滿足相應(yīng)的規(guī)范和要求[2]。而要想得出具體的地埋鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸的數(shù)學(xué)方程式則需要在對(duì)輸水管道中心線平面和立面進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)之上再結(jié)合地埋鎮(zhèn)墩的控制參數(shù)b經(jīng)由幾何關(guān)系得出。

2.1 立面鎮(zhèn)墩尺寸

將立面鎮(zhèn)墩的尺寸導(dǎo)入至具體的幾何關(guān)系式中可得出其具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

長(zhǎng)度：L = ( b + R tanγ/2 ) ( cos α + cos β )

寬度：B = dn + 2b

高度(Ⅰ 型，Ⅲ型)：判斷 △ = max(α， β) ， H = 2b +dn/2(1/cos △+1 ) + ( b + R tanγ/2 )sin△

高度(Ⅱ 型，Ⅳ型)： H = 2b +dn/2 (1/cos α+1/cos β )+ ( b +R tanγ/2 ) ( sin α + sin β )

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +πγR/180 )

2.2 構(gòu)造鎮(zhèn)墩尺寸

依據(jù)具體的幾何關(guān)系式，可以得出構(gòu)造鎮(zhèn)墩的尺寸大小以及混凝土量：

長(zhǎng)度：L = dn + 2b

寬度：B = dn + 2b

高度：H = 2b +dn/cos α+ Ltan α

混凝土方量： V = LBH -πdn2/4L/cos α

2.3 平面鎮(zhèn)墩尺寸

依據(jù)具體的幾何關(guān)系式，可以得出構(gòu)造鎮(zhèn)墩的尺寸大小以及混凝土量：

長(zhǎng)度：L = ( b + R tanθ/2 )( 1 + cos θ )

寬度：B = 2b +dn/2( 1 +1/cos θ )+ ( b + R tanθ/2 )sin θ

高度：H = 2b +dn/cos α+ 2 ( b + R tanθ/2 )sin α

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +πθR/180 )

圖2 立面鎮(zhèn)墩分類典型圖

2.4 復(fù)合鎮(zhèn)墩尺寸

依據(jù)具體的幾何關(guān)系式，可以得出構(gòu)造鎮(zhèn)墩的尺寸大小以及混凝土量：

長(zhǎng)度：L = ( b + R tanθ/2 )( 1 + cos θ )

寬度：B = 2b +dn/2( 1 +1/cos θ )+ ( b + R tanθ/2 )sin θ

高度：H = 2b +dn/2 (1/cos α+1/cos β )+ ( b + R tanθ/2 ) ( sin α + sin β )

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +π△R/180)

在上述的數(shù)學(xué)公式中，L、B、H分別代表地埋鎮(zhèn)墩的長(zhǎng)、寬、高，b為輸水管道外包混凝土的具體厚度，同時(shí)也是地埋鎮(zhèn)墩的控制參數(shù)，dn為輸水管道的直徑，而R則為輸水管道轉(zhuǎn)彎處的半徑。通過上述數(shù)學(xué)公式來對(duì)地埋鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性進(jìn)行受力分析和計(jì)算，只需要對(duì)控制參數(shù)b進(jìn)行控制，即可改變鎮(zhèn)墩的尺寸和重量，大大提升了地埋鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性計(jì)算的效率。

3 地埋鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性計(jì)算

3.1 地埋鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定性計(jì)算

通常來講，對(duì)地埋鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，其抗滑性是鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性計(jì)算的關(guān)鍵所在，在當(dāng)前階段，我國還未有對(duì)此進(jìn)行計(jì)算的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因而在具體的施工建造過程中，都是通過對(duì)鎮(zhèn)墩進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算擬定來得出其具體的體積大小以及結(jié)構(gòu)尺寸，并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行地基承載力的復(fù)核工作[3]。根據(jù)具體的輸水管道工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我們可以得知，在考慮土壓力的影響之下，針對(duì)地埋輸水管道穩(wěn)定性計(jì)算的具體公式為：

Fpk- Fep， k+ Ffk≥ KsFwp.k

在上述公式中，F(xiàn)pk是作用在鎮(zhèn)墩抗推力側(cè)被動(dòng)土壓力的數(shù)值； Fep， k為鎮(zhèn)墩迎推力側(cè)的主動(dòng)土壓力的數(shù)值； Ffk是鎮(zhèn)墩底部的摩擦力；Ks是具體的抗力系數(shù)，通常情況下，Ks的數(shù)值要在1.5以上。

除此之外，對(duì)于我們工程中常用的地埋輸水管線穩(wěn)定性計(jì)算，現(xiàn)行的《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》當(dāng)中也給出了具體的參考公式：

Kc=f∑G/∑H

(1)

式中：Kc為具體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為鎮(zhèn)墩上的豎向作用力；∑H為鎮(zhèn)墩上的橫向作用力；f則是鎮(zhèn)墩和地基之間的摩擦系數(shù)。而對(duì)于在進(jìn)行地埋鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性計(jì)算的過程中是否將土壓力考慮在內(nèi)，我們常見的策略就是將被動(dòng)土壓當(dāng)做安全儲(chǔ)備，而將主動(dòng)土壓力看作是最壞情況進(jìn)行計(jì)算，在這種情況之下，鎮(zhèn)墩的抗滑系數(shù)通常情況下都保持在1.5以上，而對(duì)于在組合情況下的抗滑穩(wěn)定系數(shù)也應(yīng)該保持在1.3以上。

4 結(jié) 論

1)在進(jìn)行水利水電的工程建設(shè)中，輸水管道的地埋鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)和建造和常用的市政工程管道鎮(zhèn)墩有著明顯的差異，因而在設(shè)計(jì)和建造之時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待，利用數(shù)學(xué)公式來對(duì)地埋鎮(zhèn)墩的具體受力點(diǎn)進(jìn)行推導(dǎo)。

2)對(duì)在標(biāo)準(zhǔn)化程序設(shè)計(jì)下，輸水管線中所能夠用到的地埋鎮(zhèn)墩類型進(jìn)行了整理和歸納，并在此基礎(chǔ)之上對(duì)不同類型鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)尺寸以及穩(wěn)定性的幾何計(jì)算公式進(jìn)行了詳細(xì)的推導(dǎo)。