埋地壓力給水管道水平支墩穩(wěn)定性驗(yàn)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：

柔性接口給水管支墩標(biāo)準(zhǔn)圖集給出了管內(nèi)水壓適用范圍為0.8～1.1 MPa的支墩設(shè)計(jì)，但是當(dāng)實(shí)際工程中管內(nèi)水壓超過(guò)1.1 MPa時(shí)，不能直接套用支墩?qǐng)D集。為此，根據(jù)工程實(shí)例，提出當(dāng)給水管內(nèi)水壓超過(guò)1.1 MPa，達(dá)到1.5 MPa時(shí)，先驗(yàn)算圖集中設(shè)計(jì)管內(nèi)水壓力為1.1 MPa的水平支墩是否滿足給水系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性要求，再通過(guò)驗(yàn)算結(jié)果優(yōu)化支墩設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：在同一工程條件下，當(dāng)管內(nèi)水壓達(dá)到1.5 MPa時(shí)，圖集中設(shè)計(jì)管內(nèi)水壓為1.1 MPa的支墩滿足1.5 MPa工況的支墩抗傾覆穩(wěn)定性和支墩地基承載力的要求，但不能滿足支墩抗滑穩(wěn)定性要求。增加支墩埋深和展寬支墩墻趾均可以增加支墩抗滑穩(wěn)定性。考慮節(jié)省地下空間和工程造價(jià)，該工程采用增加支墩埋深的方式來(lái)滿足支墩穩(wěn)定性要求。研究成果可為類似工程提供一定參考。

關(guān)鍵詞：

水平支墩； 壓力給水管道； 穩(wěn)定性驗(yàn)算； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖法分類號(hào)：TV672.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.010

文章編號(hào)：1006-0081（2024）07-0059-05

0 引 言

埋地給水管道結(jié)構(gòu)上受到的作用力有管道自重、管內(nèi)水重、管道外壁上的豎向和側(cè)向土壓力、水壓力（管道埋在地下水位以下時(shí)）、地面車輛荷載、堆積荷載和人群荷載等，管道內(nèi)壁的運(yùn)行內(nèi)水壓力，作用在管道系統(tǒng)縱向的由環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的溫度作用，管道縱向出現(xiàn)不均勻沉降時(shí)產(chǎn)生的縱向力和管道在轉(zhuǎn)彎、三通、堵頭等部位由內(nèi)水壓力產(chǎn)生的軸向推力等［1］。實(shí)際工程中，為確保埋地給水管道的穩(wěn)定運(yùn)行，需采取相應(yīng)措施來(lái)平衡上述各力的作用。支墩作為給水管系統(tǒng)的重要組成部分，是平衡各作用力以保證管道系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要措施之一，其設(shè)計(jì)需要綜合考慮管道重量和管道所處環(huán)境等各因素。王志武［2］、雒望余［3］介紹了3種不同類型支墩的設(shè)計(jì)，雖然全面，但在實(shí)際工程中優(yōu)先選用圖集支墩以減少設(shè)計(jì)工作；高宇等［4］提出按圖集設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)使高水壓大口徑球墨鑄鐵管道支墩尺寸較大，造成浪費(fèi)，通過(guò)設(shè)計(jì)底坎、爬坡支墩設(shè)置抗滑移支墩外套、結(jié)合閥門井設(shè)置支墩的方式增加給水管道運(yùn)行穩(wěn)定性，同時(shí)節(jié)約工程投資；楊育紅［5］研究了改造管道與現(xiàn)狀管道兜接支墩設(shè)計(jì)及管位空間狹窄等特殊工況下支墩的設(shè)計(jì)。結(jié)合前人研究可以看出，針對(duì)給水管道水平支墩設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)相對(duì)較少，部分文獻(xiàn)提供了支墩優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，但沒(méi)有進(jìn)一步通過(guò)項(xiàng)目實(shí)例來(lái)論證其可行性。支墩的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況因地制宜，選用合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

本文以溫州泰順雅陽(yáng)華東大峽谷道路給水管工程為研究實(shí)例。該工程不屬于高水壓大口徑支墩設(shè)計(jì)，地下管位空間滿足支墩設(shè)置尺寸基本需求，因此優(yōu)先選用圖集支墩，在圖集支墩不滿足工程管內(nèi)水壓要求的情況下，全面分析驗(yàn)算給水管支墩的穩(wěn)定性，并提出優(yōu)化方案。最終，通過(guò)綜合考慮工程地下空間、投資、施工等因素，選擇最適用于工程實(shí)際情況的優(yōu)化方案。

1 研究方法

支墩的穩(wěn)定性驗(yàn)算包括抗滑穩(wěn)定性、抗浮穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和地基承載力驗(yàn)算。本文在穩(wěn)定性驗(yàn)算中，考慮管道自重和管內(nèi)水重，不考慮地面荷載影響和環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的溫度作用以及管道縱向不均勻沉降產(chǎn)生的縱向力。根據(jù)地下水位情況，判斷是否需要進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。

依托于支墩標(biāo)準(zhǔn)圖集進(jìn)行優(yōu)化，更有利于快速確定適用于工程實(shí)例的支墩。本文僅對(duì)水平方向彎管支墩在設(shè)計(jì)管道內(nèi)水壓力為1.5 MPa時(shí)的情況進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，水平彎管支墩平、剖面圖如圖1所示。先驗(yàn)算國(guó)標(biāo)圖集中設(shè)計(jì)管內(nèi)水壓力為1.1 MPa的水平支墩能否滿足管內(nèi)水壓力為1.5 MPa工況時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行，再通過(guò)驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 研究過(guò)程

雅陽(yáng)華東大峽谷道路工程位于浙江省溫州市泰順縣，給水管工程為道路配套工程。工程給水管采用D=300 mm的球墨鑄鐵管，外徑326 mm，壁厚7.2 mm（K9），管材重度70.5 kN/m3，T型承插式橡膠圈止水接口。由于工程所在地豎向高差大，供水廠設(shè)置于標(biāo)高較低的現(xiàn)狀老城區(qū)，供新建大峽谷片區(qū)生活用水，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，工程給水管設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa，試驗(yàn)壓力為1.5 MPa，超出國(guó)標(biāo)圖集規(guī)定的壓力范圍，支墩設(shè)計(jì)不能直接套用國(guó)標(biāo)圖集。因此，先驗(yàn)算國(guó)標(biāo)圖集中設(shè)計(jì)管內(nèi)水壓為1.1 MPa的支墩能否在管內(nèi)水壓為1.5 MPa的工況下穩(wěn)定運(yùn)行，再通過(guò)驗(yàn)算結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)工程所在地的地勘報(bào)告，地基土的容許承載力fa0為140 kPa，土壤重度rs為20.0 kN/m3，土壤內(nèi)摩擦角φ為22°。

本工程混凝土的重度按r3=24 kN/m3計(jì)算；等效內(nèi)摩擦角按20°計(jì)算，支墩地基承載能力100 kPa；給水管覆土深度不小于0.7 m，平均覆土深度按1 m計(jì)；地下水水位低于支墩底面，不考慮浮力對(duì)支墩的影響；支墩混凝土等級(jí)為C30。根據(jù)《給排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）管道結(jié)構(gòu)自重標(biāo)準(zhǔn)值G管和管內(nèi)水重標(biāo)準(zhǔn)值G水計(jì)算公式如下：

G管=3.14·γ管（D外－t壁厚）·t壁厚≈0.51 kN/m

G水=0.785·γ水（D外－2·t壁厚）2≈0.76 kN/m

式中：γ管為球墨鑄鐵管的重度，kN/m3；D外為球墨鑄鐵管外徑，mm；t壁厚為球墨鑄鐵管壁厚，mm；γ水為水的重度，kN/m3。

根據(jù)給水管內(nèi)水壓力來(lái)計(jì)算管道截面外推力P，進(jìn)而計(jì)算管道截面外推力P對(duì)支墩產(chǎn)生的水壓合力Fwp，k，見(jiàn)圖2。

2.1 支墩水壓合力計(jì)算

根據(jù)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）第8.2節(jié)，埋地給水管道在管道內(nèi)水壓作用下產(chǎn)生的截面外推力P對(duì)支墩產(chǎn)生的水壓合力Fwp，k可按式（1）～（2）計(jì)算：

管道截面外推力：

P=0.78d2nFwd，k/1000（1）

管道水平方向彎管處支墩所受的水壓合力：

Fwp，k=2P·sinα2（2）

式中：dn為管道接口內(nèi)徑，mm；dn=α0D，其中α0為管道接口設(shè)計(jì)內(nèi)徑和管內(nèi)徑轉(zhuǎn)換系數(shù)，D為管內(nèi)徑，mm；Fwd，k為管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力，MPa；P為管道截面外推力，kN；α為彎管角度，（°）。根據(jù)國(guó)標(biāo)圖集10S505《柔性接口給水管道支墩》，DN300球墨鑄鐵管給水管α0=1.2，D=300 mm，dn=360 mm，F(xiàn)wd，k=1.5 MPa［6］，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 支墩穩(wěn)定性驗(yàn)算

2.2.1 抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)CECS 142-2002《給水排水工程埋地鑄鐵管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》第5.2.7節(jié)，抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)KS取1.5。水平支墩抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算公式：

Fpk-Fep，k+Ffk≥KSFwp，k（3）

Fpk=rs2tan2（45°+φ/2）·（Z22－Z21）·L（4）

Fep，k=16rs·（Z22－Z21）·L（5）

Ffk=（G+W－Ffw，k）·f（6）

式中：Fpk為作用在支墩抗推力一側(cè)的被動(dòng)土壓力的合力，kN；Fep，k為作用在支墩迎推力一側(cè)的主動(dòng)土壓力，kN；Ffk為支墩底部滑動(dòng)平面上的摩擦力，kN；φ為土的等效內(nèi)摩擦角，取20°；rs為管側(cè)土的重度，取20 kN/m3；r3為支墩混凝土的重度，取24 kN/m3；Z1為支墩頂在設(shè)計(jì)地面以下的深度，m；Z2為支墩底在設(shè)計(jì)地面以下的深度，m；L為支墩長(zhǎng)度，m；G為支墩重力，kN；W為支墩頂部覆土重力，kN；Ffw，k為支墩及其頂部覆土所受的浮托力，kN，由于該工程管道敷設(shè)在地下水位以上，基礎(chǔ)和支墩不存在浮力作用，浮托力為0。

該工程計(jì)算不考慮支墩頂部荷載作用。根據(jù)國(guó)標(biāo)圖集10S505《柔性接口給水管道支墩》，土對(duì)混凝土支墩底部摩擦系數(shù)f=0.25。支墩抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2 可以看出，該工程給水管內(nèi)水壓力為1.5 MPa時(shí)，只有11.25°水平彎管支墩滿足抗滑穩(wěn)定性要求，其余水平支墩抗滑穩(wěn)定性均不滿足要求，因此，標(biāo)準(zhǔn)圖集內(nèi)設(shè)計(jì)管內(nèi)水壓力為1.1 MPa的支墩不滿足該工程給水管穩(wěn)定運(yùn)行要求，需要重新設(shè)計(jì)。在圖集支墩的基礎(chǔ)上做優(yōu)化設(shè)計(jì)，有以下兩個(gè)思路。

（1） 思路1。根據(jù)公式（4）～（6）和圖集10S505《柔性接口給水管道支墩》，支墩底在設(shè)計(jì)地面以下的深度是支墩頂在設(shè)計(jì)地面以下的深度加支墩的高度，分析得出：增大Z2，L，G，W，Z1均有利于支墩的穩(wěn)定，即通過(guò)增加被動(dòng)土壓力或摩擦力來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高支墩的抗滑穩(wěn)定性。

由表2可以看出，F(xiàn)pk+Ffk-Fep，k的值較KsFwp，k大5.2～17.6 kN，因此考慮增加支墩的摩擦力來(lái)滿足支墩的抗滑穩(wěn)定性要求。管道支墩設(shè)計(jì)的大部分理論與擋土墻設(shè)計(jì)類似，由此根據(jù)擋土墻設(shè)計(jì)來(lái)改進(jìn)支墩的設(shè)計(jì)，在支墩底部展寬墻趾，增加支墩底部的接觸面積，同時(shí)增加支墩質(zhì)量和覆土質(zhì)量，從而增大摩擦力，如圖3所示。

由表3可以看出，展寬支墩墻趾，增加支墩及支墩頂覆土重力，以增加摩擦力，使支墩Fpk+Ffk-Fep，k≥KsFwp，k，滿足抗滑穩(wěn)定性要求，同時(shí)展寬墻趾還有利于支墩抗傾覆穩(wěn)定性。但是，展寬墻趾增大了支墩體積，且不利于控制投資和節(jié)省地下空間。

（2） 思路2。根據(jù)思路1所述，增大Z2、L、G、W、Z1均有利于支墩的穩(wěn)定，由于支墩底在設(shè)計(jì)地面以下的深度是支墩頂在設(shè)計(jì)地面以下的深度加支墩的高度，因此，考慮在滿足支墩抗滑要求時(shí)，反推計(jì)算支墩頂在設(shè)計(jì)地面以下深度Z1的值，見(jiàn)表4。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)Z1較標(biāo)準(zhǔn)圖集高度增加0.1 m左右，即支墩頂在設(shè)計(jì)地面以下的埋深較圖集10S505規(guī)定的增加0.1 m，便可滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

2.2.2 地基承載力驗(yàn)算

支墩不僅要保證抗滑穩(wěn)定性要求，還要保證支墩基底應(yīng)力不超過(guò)地基容許承載力［7］。水平支墩地基承載力驗(yàn)算公式［6，8］：

G+W≤Afa（7）

fa=fa0+ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）（8）

式中：G為支墩重量，kN；W為支墩頂部覆土重量，kN；A為支墩底面積，m2；fa為修正后的地基承載力特征值，kPa；fa0為地基承載力特征值，kPa；ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋置深度的地基承載力修正系數(shù)，ηb取0，ηd取1.5；γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，取20 kN/m3；γm為基礎(chǔ)底面以上土的重度，取20 kN/m3；b為基礎(chǔ)底面寬度，取3 m；d為基礎(chǔ)埋置深度，即Z2。對(duì)支墩進(jìn)行地基承載能力驗(yàn)算，見(jiàn)表5。由計(jì)算結(jié)果可以看出，標(biāo)準(zhǔn)圖集中設(shè)計(jì)管內(nèi)水壓力為1.1 MPa的支墩能滿足本工程管內(nèi)水壓力為1.5 MPa時(shí)的地基承載力驗(yàn)算要求。

2.2.3 抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算

支墩抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算公式：

抗力矩傾覆力矩≥1.2（9）

支墩被動(dòng)土壓力對(duì)支墩前腳趾O點(diǎn)的抗力矩：

Mpk=rs2tan2（45°+φ/2）·（Z22－Z21）·L·H3（10）

水壓合力對(duì)支墩前腳趾O點(diǎn)的傾覆力矩：

Mwp，k=Fwp，k·H0=Fwp，k·（0.15+H1）（11）

G+W對(duì)支墩前腳趾O點(diǎn)的抗力矩分3個(gè)部分計(jì)算，見(jiàn)圖1（b）。第Ⅰ部分：M1=（G1+W1）·0.2（第Ⅰ部分支墩體積和覆土體積均為長(zhǎng)方體體積）。第Ⅱ部分：M2=（G2+W2）·（0.1+B2）（第Ⅱ部分支墩體積和覆土體積均為臺(tái)體體積）。第Ⅲ部分：M3=（G3+W3）·（B+0.35）（第Ⅲ部分重心粗略計(jì)，支墩體積和覆土體積均為臺(tái)體體積減去管道體積）。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6～8。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，標(biāo)準(zhǔn)圖集中設(shè)計(jì)管內(nèi)水壓力為1.1 MPa的支墩能滿足本工程管內(nèi)水壓力為1.5 MPa時(shí)的抗傾覆穩(wěn)定性要求。

3 結(jié)果及討論

根據(jù)上述驗(yàn)算分析，設(shè)計(jì)管道內(nèi)水壓力為1.5 MPa時(shí)，國(guó)標(biāo)圖集中設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為1.1 MPa的支墩能滿足支墩地基承載力和抗傾覆穩(wěn)定性要求，但不滿足抗滑穩(wěn)定性要求。實(shí)際工程中，可以通過(guò)展寬支墩墻趾或增加支墩埋深來(lái)滿足抗滑穩(wěn)定性要求。在本文工程實(shí)例中，為了節(jié)省工程量和地下空間，采用增加支墩埋深實(shí)現(xiàn)抗滑穩(wěn)定性要求。

4 結(jié) 論

現(xiàn)行圖集10S505《柔性接口給水管道支墩》不能滿足所有工程條件下的給水管支墩要求。在實(shí)際工程中，支墩設(shè)計(jì)參數(shù)超出圖集范圍時(shí)，需要進(jìn)行驗(yàn)算并優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于管內(nèi)水壓超出一定范圍的支墩，基于圖集資料優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以更快確定適用于工程實(shí)例的支墩。在滿足穩(wěn)定性要求的同時(shí)應(yīng)盡量減小支墩體積，節(jié)省工程量和地下空間。

本文通過(guò)工程實(shí)例得出，在同一工程條件下，在一定范圍內(nèi)增加給水管內(nèi)水壓力，給水管支墩抗滑穩(wěn)定性不滿足要求，而抗傾覆穩(wěn)定性和支墩地基承載力滿足要求。通過(guò)增加支墩埋深，可以增加支墩抗滑穩(wěn)定性；展寬支墩墻趾，能同時(shí)增加支墩抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性。從投資控制和施工便捷方面考慮，相較于展寬墻趾，該工程更推薦通過(guò)增加支墩埋深來(lái)優(yōu)化支墩設(shè)計(jì)。

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［3］ 雒望余.埋地壓力給水管道水平支墩設(shè)計(jì)計(jì)算 ［J］.人民長(zhǎng)江，2014，45（3）：51-54.

［4］ 高宇，江登峰.高水壓大口徑球墨鑄鐵管道支墩設(shè)計(jì)［J］.市政技術(shù)，2021，39（2）：115-119.

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［8］ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007-2011［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

（編輯：高小雲(yún)）

Stability checking calculation and optimal design of horizontal pipeline buttress of buried pressure water supply pipe

HE Haiyan

（Shanghai Millennium Urban Planning and Engineering Design Co.，Ltd.，Shanghai 201900，China）

Abstract：

The standard atlas of flexible joint buttress for water supply pipeline provided the application range design of water pressure in the pipe from 0.8 MPa to 1.1 MPa. In actual projects，standard atlas for buttresses can not be directly applied when the water pressure in the pipe exceeds 1.1 MPa. Therefore，this paer proposed a case when the water pressure in the water pipeline exceeded 1.1 MPa and reached 1.5 MPa，the horizontal pipeline buttress with water pressure of 1.1 MPa should be checked whether it can realize the stable operation，and then optimized the horizontal pipeline buttress design according to the checking results. The results showed that under the same engineering conditions，the horizontal pipeline buttress with water pressure of 1.1 MPa of the standard atlas can realize the requirements of overturning resistance and foundation bearing capacity of the horizontal pipeline buttress with water pressure of 1.5 MPa，but it cannot realize the requirements of anti-slip stability. The anti-sliding stability of the pipeline buttress can be satisfied by increasing the buried depth of the pipeline buttress and broadening the toe of the pipeline buttress. Considering saving underground space and engineering cost，this project adopted to increase the buried depth of pipeline buttress to realize the stability requirement. The research results can provide a reference for other similar projects.

Key words：

horizontal pipeline buttress； water supply pipe with pressure； stability checking calculation； optimization design