壓力管道雙管輸水鎮(zhèn)墩計(jì)算要點(diǎn)及安全系數(shù)取用

劉幫超

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000）

在壓力輸水管線中,鎮(zhèn)墩的設(shè)置是必不可少的,在鎮(zhèn)墩計(jì)算過程中由于墻背土壓力取用值不同,各工況及使用條件不同,各規(guī)范相應(yīng)的安全系數(shù)各有差異,通過對陜北某工程鎮(zhèn)墩在不同墻背土壓力及安全系數(shù)條件計(jì)算,確定適合工程實(shí)際的土壓力計(jì)算方法及安全系數(shù)取用值。

1 工程概述

陜北地區(qū)某壓力輸水工程,全長約22 km,前段10 km采用雙管DN1600 管道輸水,根據(jù)壓力不同管材分別有鋼管、球墨鑄鐵管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管,加壓段共設(shè)置鎮(zhèn)墩約72座,取其中1座鎮(zhèn)墩作為典型鎮(zhèn)墩進(jìn)行分析計(jì)算。平面轉(zhuǎn)角按α為45°計(jì)算,立面轉(zhuǎn)角上下游各1°,立面角為上彎彎管。

圖1 鎮(zhèn)墩平面示意圖

2 工況及荷載

2.1 工況確定

按照鎮(zhèn)墩使用情況可將鎮(zhèn)墩計(jì)算工況分為：1）基本組合設(shè)計(jì)運(yùn)行工況；2）基本組合檢修運(yùn)行工況；3）特殊組合水錘校核工況；4）特殊組合水壓試驗(yàn)工況。各工況對應(yīng)的荷載見表1。

表1 鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算荷載組合

2.2 荷載計(jì)算

（1）管道自重

60#鎮(zhèn)墩上下游管道均為T型K9 級球墨鑄鐵管,單米重量為764 kg/m,計(jì)算管重長兩側(cè)各算至第一個(gè)承插接口。

（2）管內(nèi)水重

將管道內(nèi)水重按照上下游各5m長分別計(jì)算,管道外徑為1.668 m,壁厚為18.9 mm,管道計(jì)算內(nèi)徑為1.63 m。

（3）水推力

工況一,60#鎮(zhèn)墩處正常運(yùn)行時(shí)水壓線標(biāo)高為1149.73 m,管中心線高程為1094.88 m,正常運(yùn)行水壓力水頭為54.85 m。

工況二,檢修工況,檢修閥門上游管道,閥門關(guān)閉,放空上游管道,閥門處受出水池水位靜水壓力,出水池水位為1146 m,壓力水頭為51.12 m。

工況三,管道發(fā)生校核水錘工況時(shí)所受水壓力,此處按照正常運(yùn)行水頭的1.5 倍計(jì)算,計(jì)算水頭為82.3 m。

工況四,打壓工況,為管道及鎮(zhèn)墩建成后進(jìn)行水壓試驗(yàn),試驗(yàn)壓力為正常運(yùn)行水頭增加50 m計(jì)算為104.85 m。

（4）離心力

工況一,正常運(yùn)行工況,設(shè)計(jì)流量為5.03 m3/s,單管流量為2.52 m3/s,管內(nèi)流速為1.2 m/s；工況二,檢修工況與工況三打壓工況,流速為0,水錘工況時(shí),根據(jù)水力過渡分析,單管最大倒流流量為1.55 m3/s,對應(yīng)管內(nèi)流速為0.77 m/s計(jì)算。

（5）承插口水推力

管道接口設(shè)計(jì)內(nèi)徑為1.76 m,管道計(jì)算內(nèi)徑為1.63 m。

（6）水壓力的合成與分解

式中：P水上為上游內(nèi)水壓力產(chǎn)生的水推力,N；P水下為下游內(nèi)水壓力產(chǎn)生的水推力,N。

圖2 鎮(zhèn)墩水壓力計(jì)算受力簡圖

表2 鎮(zhèn)墩基本荷載計(jì)算值

（7）土壓力

A.按照《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中土壓力計(jì)算如下：

土壓力在鎮(zhèn)墩周圍及頂面分布,主動土壓力作用方向與鎮(zhèn)墩所受外力合力方向一致,被動土壓力與鎮(zhèn)墩所受合力方向相反。墩頂覆土為2.8 m,填土容重γ為18 kN/m2,內(nèi)摩擦角為27°。按照擬定的不同鎮(zhèn)墩尺寸及受力方向,計(jì)算出各工況的土壓力。

式中：Ep為作用在鎮(zhèn)墩抗推力一側(cè)的被動土壓力,N；Ea為作用在鎮(zhèn)墩迎推力一側(cè)的主動土壓力,N；被動土壓力可進(jìn)行折減,被動土壓力折減系數(shù),當(dāng)鎮(zhèn)墩無位移時(shí)可取0.8~0.9,小位移時(shí)可取0.4~0.9,此算例取0.6。

B.按照土壓力基本計(jì)算理論,土壓力應(yīng)與土的粘聚力有關(guān),土壓力主要分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力,三種土壓力的定義和計(jì)算公式分別為：

①靜止土壓力：當(dāng)擋土墻為剛性不動時(shí),土體處于靜止?fàn)顟B(tài)不產(chǎn)生位移和變形,此時(shí)作用在擋土墻上的土壓力稱為靜止土壓力E0。

對于砂土或正常固結(jié)粘土,

式中：φ'為填土的有效內(nèi)摩擦角。

②主動土壓力：如果擋土墻背離填土方向轉(zhuǎn)動或移動時(shí),隨著位移量的逐漸增加,墻后土壓力逐漸減小,當(dāng)墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的土壓力稱為主動土壓力Ea。

對于無粘性土,C=0,

③被動土壓力：如果擋土墻向著填土方向轉(zhuǎn)動或移動時(shí),隨著位移量的逐漸增加,墻后土體受到擠壓而引起土壓力逐漸增加,當(dāng)墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)增大到最大值,此時(shí)作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力Ep。

對于無粘性土,C=0,

3 擬定鎮(zhèn)墩尺寸及計(jì)算

按照不同規(guī)范安全系數(shù)要求,確定安全系數(shù)取用。

（1）《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.2.13規(guī)定“對非整體連接的管道,在其敷設(shè)方向改變處,應(yīng)作抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。對沿滑動方向一側(cè)的土壓力可按被動土壓力計(jì)算；抗滑驗(yàn)算的穩(wěn)定性抗力系數(shù)不應(yīng)小于1.5”。

（2）《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定,鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的允許值：基本組合下不應(yīng)小于1.30, 特殊荷載組合下不應(yīng)小于1.10,對土壓力計(jì)算未作明確規(guī)定。

（3）《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定,抗滑穩(wěn)定性安全系數(shù),可取1.5；對被動土壓力計(jì)算,采用折減系數(shù)進(jìn)行折減。

（4）《柔性接口給水管道支墩》中,抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)為1.5；迎推力側(cè)按照主動土壓力計(jì)算,抗推力側(cè)按照被動土壓力計(jì)算。

由于《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》為強(qiáng)制條紋,安全系數(shù)按1.5,擬定鎮(zhèn)墩尺寸。

分別采用被動土壓力加折減、靜止土壓力、主動土壓力作為墩背土的有利荷載,在滿足安全系數(shù)的情況下,擬定A型、B型、C型三種鎮(zhèn)墩尺寸,并計(jì)算出其他兩種土壓力對應(yīng)的安全系數(shù),計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同墩背土壓力對應(yīng)的安全系數(shù)計(jì)算值（滿足被動土壓力加折減）

4 結(jié)果分析

（1）根據(jù)土壓力計(jì)算結(jié)果可知,靜止土壓力為主動土壓力的1.45倍,被動土壓力為主動土壓力的7.09 倍,當(dāng)被動土壓力按照0.6折減系數(shù)折減后,折減被動土壓力為主動土壓力的4.25倍。被動土壓力為靜止土壓力的3.44倍。如將被動土壓力折減為靜止土壓力,折減系數(shù)約為0.3。

（2）當(dāng)采用被動土壓力加折減作為墩背土壓力時(shí),擬定的A型鎮(zhèn)墩,安全系數(shù)為1.53（打壓工況）對應(yīng)的靜止土壓力作為墩背土壓力時(shí)的安全系數(shù)為0.92,不滿足規(guī)范要求,對應(yīng)的主動土壓力作為墩背土壓力時(shí)的安全系數(shù)為0.82,不滿足規(guī)范要求。

（3）當(dāng)采用靜止土壓力作為墩背土壓力時(shí),擬定的B型鎮(zhèn)墩,安全系數(shù)為1.50（打壓工況）對應(yīng)的被動土壓力加折減作為墩背土壓力時(shí)的安全系數(shù)為2.32,滿足規(guī)范要求,對應(yīng)的主動土壓力作為墩背土壓力時(shí)的安全系數(shù)為1.37,不滿足規(guī)范要求,差異較小。

（4）當(dāng)采用主動土壓力作為墩背土壓力時(shí),擬定的C型鎮(zhèn)墩,安全系數(shù)為1.51（打壓工況）對應(yīng)的被動土壓力加折減作為墩背土壓力時(shí)的安全系數(shù)為2.51,滿足規(guī)范要求,對應(yīng)的主動土壓力作為墩背土壓力時(shí)的安全系數(shù)為1.65,滿足規(guī)范要求。

（5）由于抗滑安全系數(shù)不同,擬定的鎮(zhèn)墩尺寸不同,對應(yīng)工程量及造價(jià)存在差異,A型鎮(zhèn)墩混凝土體積為168.3 m3,B型鎮(zhèn)墩混凝土體積為386.3 m3,C型鎮(zhèn)墩混凝土體積為448.3 m3。B型鎮(zhèn)墩較A型鎮(zhèn)墩體積增大129%,C型鎮(zhèn)墩較A型鎮(zhèn)墩體積增大166%。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

（1）當(dāng)鎮(zhèn)墩背部填土按照被動土壓力計(jì)算時(shí),能減少鎮(zhèn)墩體型,但安全系數(shù)相應(yīng)降低,按照被動土壓力的定義,產(chǎn)生被動土壓力時(shí)墻背已出現(xiàn)壓縮位移變形,但對應(yīng)壓力輸水管線位移變形將對管道安全產(chǎn)生不利影響,故從管道長期安全運(yùn)行考慮,鎮(zhèn)墩背部土壓力計(jì)算不宜采用被動土壓力,如采用被動土壓力計(jì)算,應(yīng)采用不小于0.3的折減系數(shù)。

（2）當(dāng)鎮(zhèn)墩背部填土按照靜止土壓力計(jì)算時(shí),鎮(zhèn)墩在各工況條件下運(yùn)行穩(wěn)定合理,工程量適中,可作為鎮(zhèn)墩體型擬定的控制土壓力。

（3）當(dāng)鎮(zhèn)墩背部填土按照主動土壓力計(jì)算時(shí),鎮(zhèn)墩體型較大,工程量大,工程投資偏大,不推薦作為控制土壓力。

（4）《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中土壓力計(jì)算公式,應(yīng)考慮土的粘聚力作用。

（5）在鎮(zhèn)墩的抗滑安全系數(shù)取用時(shí),應(yīng)按照《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定,滿足抗滑安全系數(shù)不小于1.5。

5.2 建議

在水利供水工程鎮(zhèn)墩計(jì)算時(shí),應(yīng)分析管線工況及管道條件,在小管徑、低水頭鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)時(shí)鎮(zhèn)墩體型對工程造價(jià)差異不大；在大口徑、高水頭鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)詳細(xì)分析計(jì)算工況及管道條件,可有利于節(jié)約工程投資。