鎮(zhèn)墩在埋地式壓力輸水管道工程中應用分析

崔 磊

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司山西太原030024）

1 綜述

隨著社會的進步和科學技術的發(fā)展，埋地式壓力輸水管道在長距離輸水工程中越來越發(fā)揮著重要作用。埋地式壓力輸水管道大多依據現狀地形布設，埋設深度應結合外部荷載、抗沖刷、抗浮、凍土深度及與其它建筑物交叉要求確定。輸水管線的正常運行，離不開管線上布設的各種附屬設施，如彎頭、三通、閥門等。為確保管道在各種設計工況下穩(wěn)定運行，應在管道的轉彎接頭處設置鎮(zhèn)墩，防止管道震動、事故水錘等對管道造成嚴重破壞。因此，對埋地式壓力輸水管線的鎮(zhèn)墩布設進行分析研究十分重要。

2 鎮(zhèn)墩的布置原則

埋地式壓力輸水管道鎮(zhèn)墩布設應遵循以下設計原則：

1）埋地式輸水管道能通過管道自身或接頭配件在轉彎處漸轉的，盡可能不設鎮(zhèn)墩。

2）鎮(zhèn)墩一般布設在管道的轉彎處（平面或立面），以固定管道，承受因管道內水流改變方向而產生的軸向不平衡力，不允許管道在鎮(zhèn)墩處有變形和位移。

3）在無轉角的長距離壓力輸水管道中，長度超過150 m 的直線管道段應設置中間鎮(zhèn)墩。

3 鎮(zhèn)墩的結構形式

鎮(zhèn)墩靠自身重量與地基的摩擦保持穩(wěn)定，其體積較大，強度易于滿足，一般采用C20 混凝土。當管徑較大、水頭較高，鎮(zhèn)墩表面需要用配溫度筋時，采用C25混凝土。鎮(zhèn)墩的結構形式有多種，按管道在鎮(zhèn)墩中的固定方式，鎮(zhèn)墩分為封閉式和開敞式兩種。封閉式鎮(zhèn)墩結構簡單，對管道的固定效果好，應用較多；而開敞式鎮(zhèn)墩中管壁受力不夠均勻，適用于作用力不大的明管。埋地式壓力輸水管常采用封閉式鎮(zhèn)墩，結構形式如圖1所示。

圖1 封閉式鎮(zhèn)墩結構形式

4 鎮(zhèn)墩的工程應用分析

鎮(zhèn)墩在埋地式壓力水管線中發(fā)揮著重要作用。在地形及管道設計壓力許可條件下，管道轉彎段宜優(yōu)先采用接口借轉代替彎頭不再設置鎮(zhèn)墩。下面結合具體工程詳細分析鎮(zhèn)墩在各種輸水管道中的應用。

4.1 鎮(zhèn)墩在PCCP 管中的應用

山西省中部引黃工程汾孝介支線輸水工程承擔著汾陽、孝義、介休三市的供水任務。工程布置圖如圖2所示。

圖2 汾孝介支線輸水工程布置圖

壓力輸水管線進水池水位938.25 m，末端調流減壓閥高程為852 m，地形高差86.25 m，滿足自流輸水要求。通過水力學計算和管材比選，確定采用DN1200 PCCP 雙管輸水方案，管中心間距2.2 m，設計水頭均為1.2 MPa。PCCP 管為剛性管道本身不具備偏轉能力，但采用單膠圈柔性接頭時，DN400～DN800 接頭相對轉角為1.5°，DN900～DN1000 接頭相對轉角為1°，DN1200～DN1400 接頭相對轉角為0.7°；采用雙膠圈柔性接頭時，DN600～DN1400 接頭相對轉角均為1°。

輸水管線優(yōu)化設計后共設有142 個拐點。為確保管節(jié)間不脫開，事故水錘下輸水管道正常運行，經計算并結合PCCP 管自身特點，在輸水管線平面及豎向拐彎處共設C20 混凝土封閉式鎮(zhèn)墩122 個，其余20個拐點依靠PCCP 管接頭相對轉角進行借轉，不再設置鎮(zhèn)墩。其中豎向鎮(zhèn)墩48 個，尺寸為5 m×2.8 m×3.0 m（長×寬×高）；水平鎮(zhèn)墩4 個，鎮(zhèn)墩尺寸為4.9 m×2.8 m×5 m×3 m（底邊×側邊×頂邊×高）；空間鎮(zhèn)墩70個，尺寸為4.5 m×3.3 m×5 m×4 m（底邊×側邊×頂邊×高）。

4.2 鎮(zhèn)墩在球墨鑄鐵管中的應用

靈石東山供水縣域小水網供水工程承擔著靈石縣工業(yè)和農業(yè)供水任務。本工程共包括總干線、聚義供水支線、廈門供水支線、玉門供水分支線及連通段支線五部分。聚義供水支線承擔著聚義工業(yè)園區(qū)供水任務，工程布置如下圖3所示。

圖3 靈石東山供水縣域小水網供水工程布置圖

東山供水工程兩渡分水口管徑為DN1000 mm，管中心高程713.37 m，靜水頭為158.13 m，富余水頭約為120.9 m。聚義支線末端受水點高程為889.68 m，僅靠靜水壓力富余水頭不足以送到聚義工業(yè)園區(qū)受水點，需在管線中間設置兩渡加壓泵站，經過泵站加壓后輸送到聚義工業(yè)園。經過水力學計算及管材比選，自流段總干線采用DN1000 球墨鑄鐵管，設計水頭1.6 MPa；聚義支線起點至兩渡加壓泵站采用DN800球墨鑄鐵管，設計水頭1.6～1.3 MPa；兩渡加壓泵至聚義工業(yè)園出水池加壓段采用DN700 球墨鑄鐵管，設計水頭1.3～0.8 MPa。球墨鑄鐵管本身為柔性管道，其柔性接口均可以偏轉一定角度。DN80～DN300 接口最大允許轉角分別為3.5°和1.75°，DN300～DN600 接口最大允許轉角分別為2.5°和1.25°，DN700～DN2600接口最大允許轉角分別為1.5°和0.75°。除此之外，球墨鑄鐵管還可以利用標準轉換接頭漸變適合的轉角。

結合地形條件，聚義供水支線共布設131 個拐點，為確保管線在各種設計工況下正常運行，經計算并結合球墨鑄鐵管自身特點，在輸水管線平面及豎向拐彎處共設C20 混凝土封閉式鎮(zhèn)墩99 個，其余32 個拐點依靠球墨鑄鐵管偏轉角及標準轉換接頭進行借轉，不再設置鎮(zhèn)墩。其中豎向鎮(zhèn)墩32 個，尺寸為1.6 m×1.8 m×1.8 m（長×寬×高）；水平鎮(zhèn)墩6 個，尺寸為3.6 m×2 m×2.5 m×2.5 m（底邊×側邊×頂邊×高）；空間鎮(zhèn)墩61 個，尺寸為3.2 m×3.5 m×4 m×3.5 m。

4.3 鎮(zhèn)墩在PE 管中的應用

介休市洪山泉域下城南水源置換工程承擔著大秦鐵路股份有限公司侯馬北供電段供水任務，通過壓力管線引入地表水源，關閉自備井，達到關井壓采水源置換的目的。本工程由干管和支管兩部分組成，工程布置如圖4所示。

圖4 介休市洪山泉域下城南水源置換工程布置圖

新建干管位于兩段已建管線中間，第一段已建管線起點水位902.48 m，新建干管起點西河底閥井高程為838.12 m；新建干管末端調蓄池蓄水位811.0 m；新建干管所接已建管線末端西靳屯分水閥室高程778.29 m。新建鐵路供水支線起點為干線末端西靳屯分水閥室，高程778.29 m，末端為鐵路供水站內閥室，高程732.71 m，干、管支管均為自流壓力管線。通過水力學計算及管材比選，干管和支管均采用DN315PE管，設計水頭為分別為1.6 MPa 和0.8 MPa。PE 管本身為柔性管道，接頭通常采用同材質管件熱熔連接，除計算需要設計鎮(zhèn)墩外其余情況都可依靠管材自身變形借轉過度。

根據線路布置及地形條件，干管、支管拐點數分別為30 個和25 個。為確保輸水管線在各種工況下都正常運行，經計算并結合PE 管自身特點確定干管、支管在平面及豎向拐彎處設C20 混凝土封閉式鎮(zhèn)墩數分別為18 個和12 個，其余25 個拐點依靠PE 管材自身變形進行借轉，不再設置鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩均采用對稱梯形斷面（底邊×頂邊×側邊×高），干管部分豎向鎮(zhèn)墩4 個，尺寸為1.8 m×0.9 m×1.5 m×1.1 m，空間鎮(zhèn)墩14 個，尺寸為2.3 m×1.6 m×1.5 m×1.3 m；支管部分，豎向鎮(zhèn)墩4 個，尺寸為1.1 m×0.6 m×1.3 m×1 m，水平鎮(zhèn)墩1 個，尺寸為0.6 m×0.4 m×1.1 m×1 m，空間鎮(zhèn)墩7 個，尺寸為1 m×0.6 m×1.3 m×1.3 m。

由以上三個工程實例可知，每種管道及接頭的允許轉角都是有限的，設計時應充分考慮這些管材自身的特點盡量不設或少設彎頭，除此之外的轉角彎頭均需要通過受力分析計算，確定是否需要設置鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩計算過程中應先確定鎮(zhèn)墩所承受的各種荷載，然后根據不同的組合工況進行鎮(zhèn)墩抗滑和抗傾覆計算，最終確定鎮(zhèn)墩的結構尺寸。

5 結語

結合具體工程實例，通過對不同管材埋地式壓力輸水管道鎮(zhèn)墩布置、結構形式進行分析研究，可以更深入理解鎮(zhèn)墩的作用原理，從而更好地服務工程設計，同時還可以為以后類似工程項目設計施工提供借鑒。