長距離輸水柔性接口管道空間轉(zhuǎn)彎支墩的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

王明輝

（中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410014）

在長距離輸水管線中，管道接口常常為柔性接口。在管道轉(zhuǎn)彎處， 由于內(nèi)水壓力的作用會產(chǎn)生較大的不平衡推力，為了保證管道在轉(zhuǎn)彎處的穩(wěn)定，通常通過設(shè)置支墩來確保管道的穩(wěn)定。 譚永華等［1-4］通過研究，提出了在同一個(gè)平面內(nèi)的鎮(zhèn)墩計(jì)算方法， 解決了管道平面轉(zhuǎn)彎的問題；嚴(yán)文祥［5］通過研究，分析了空間彎管鎮(zhèn)墩的計(jì)算方法， 但是其假定了管道轉(zhuǎn)彎時(shí)某個(gè)方向處于水平位置，且未考慮主動土壓力的影響。鎮(zhèn)墩計(jì)算方法雖在不少輸水管道中進(jìn)行了應(yīng)用， 但目前有關(guān)支墩的計(jì)算僅針對一些特定的平面內(nèi)［6］，而在空間轉(zhuǎn)彎情況的計(jì)算卻很少。因此，本文將針對管道的空間轉(zhuǎn)彎情況進(jìn)行分析，以便為類似工程提供參考依據(jù)。

1 理論分析

在柔性接口給水管道支墩設(shè)計(jì)時(shí)， 通常需要考慮管道轉(zhuǎn)彎處不平衡水推力，管道及水的自重，支墩的自重，支墩前后土壓力的作用。支墩計(jì)算的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)彎處不平衡水推力的分解， 以管道空間轉(zhuǎn)彎為例，如圖1、圖2，管道豎向轉(zhuǎn)彎角度分別為α1、α2（管線與水平面的夾角），管道平面轉(zhuǎn)角為α。管道截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值P如式（1）［6］。

圖1 管道豎向轉(zhuǎn)彎

圖2 管道平面轉(zhuǎn)彎

式中 P為管道截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2），dn為柔性管道接口設(shè)計(jì)內(nèi)徑（mm），F(xiàn)wd，k為管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力（N）。

在管道空間轉(zhuǎn)彎中，如圖3，可以將管道外推力分解為豎直力Fz1，F(xiàn)z2和水平力Fx1，F(xiàn)x2，單位均為N。 如式（2）。

圖3 管道空間轉(zhuǎn)彎不平衡推力分解

2 計(jì)算實(shí)例

2.1 工程實(shí)例

某工程原水輸水管線采用DN800球磨鑄鐵管道輸水，采用柔性接口連接，管道工作壓力0.5MPa，設(shè)計(jì)壓力0.8MPa。 管道管頂以上覆土厚度1.0m，土體等效內(nèi)摩擦角為28°， 混凝土支墩與地基土摩擦系數(shù)f=0.3，地基承載力100kPa。 管道在某處存在空間轉(zhuǎn)彎，豎向轉(zhuǎn)彎向上彎曲， 轉(zhuǎn)彎角度α1、α2分別為11.25°，11.25°，平面轉(zhuǎn)彎角度為157.5°，支墩頂部以上覆土厚度0.5m，擬定混凝土鎮(zhèn)墩尺寸8m×2m×2m（長×寬×高），支墩平面布置如圖4，支墩縱剖面如圖5。

圖4 管道支墩平面布置

圖5 管道支墩縱剖面

2.2 穩(wěn)定計(jì)算

（1）管道截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值：P=401.9kN。

（2）空間彎管產(chǎn)生不平衡水推力的合力豎直力：Fz=401.9kN，水平力Fx=401.9kN。

（3）支墩以上覆土重量計(jì)算：G1=128.0kN。

（4）支墩段管道及水重量計(jì)算：G2=40.2kN。

（5）支墩重量計(jì)算：G3=643.6kN。

（6）支墩前端主動土壓力計(jì)算：Fep，k=144.0kN。

（7）支墩背部被動土壓力計(jì)算：Fpk=1196.6kN。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，支墩水平抗滑穩(wěn)定性，豎直向上穩(wěn)定性及地基承載力均能滿足要求， 所選取的支墩尺寸是合適的。

3 結(jié)語

支墩是柔性接口給水管道重要的水工建筑物，是維持管道穩(wěn)定的關(guān)鍵。 支墩不僅需要滿足水平抗滑穩(wěn)定和垂直豎向穩(wěn)定， 還需要滿足地基承載力的要求。隨著引調(diào)水工程的增多，管道空間轉(zhuǎn)彎情況也越來越多，必須重視管道空間轉(zhuǎn)彎的結(jié)構(gòu)計(jì)算。目前《柔性接口給水管道支墩》圖集僅明確了支墩的平面轉(zhuǎn)彎計(jì)算， 建議將來修編規(guī)范時(shí)增加支墩空間轉(zhuǎn)彎計(jì)算方法和內(nèi)容。