付月丹 張愛玲 付濤

【摘要】中小型引水式電站通常采用有壓長(zhǎng)引水壓力管道進(jìn)行輸水，并用鎮(zhèn)墩來支撐。鎮(zhèn)墩是引水式電站重要的水工建筑物，運(yùn)行中鎮(zhèn)墩一旦出問題，將造成非常嚴(yán)重的后果。鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)不僅要完成抗滑，抗傾覆、地基應(yīng)力等的驗(yàn)算，而且還要對(duì)其結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行必要的論證。本文根據(jù)某電站輸水管線鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)要求，對(duì)鎮(zhèn)墩進(jìn)行分析計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過編程迭代擬定最小鎮(zhèn)墩。

【關(guān)鍵詞】鎮(zhèn)墩；水電站；抗滑；穩(wěn)定

在水利水電工程中，針對(duì)引水式水電站，長(zhǎng)有壓明鋼管布置輸送路線情況下，需設(shè)計(jì)鎮(zhèn)墩對(duì)其支撐。目前常用的規(guī)范設(shè)計(jì)是根據(jù)《小型水力發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》、《水電站建筑物》等參考書，以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)約束墩體體型，滿足安全穩(wěn)定；也有些采用在常規(guī)平底鎮(zhèn)墩上加設(shè)抗滑齒坎，增加鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定性。本文采用迭代優(yōu)化，對(duì)鎮(zhèn)墩體型進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證其安全穩(wěn)定性問題。

1、鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)要求

輸水管線中，鎮(zhèn)墩的主要作用是利用自身的重力，承受由鋼管各個(gè)方向傳來的荷載，將管道固定在地基上，約束管道在鎮(zhèn)墩處的轉(zhuǎn)角和位移變化。規(guī)范中規(guī)定，管道轉(zhuǎn)彎處和管道直線長(zhǎng)度大于150m，均應(yīng)設(shè)置鎮(zhèn)墩用以固定和支撐管道。鎮(zhèn)墩在設(shè)計(jì)過程中，除了體型結(jié)構(gòu)滿足要求，承受荷載以外，還需滿足：

1）抗滑穩(wěn)定性要求：鎮(zhèn)墩在承受如內(nèi)水壓力、鋼管自重、水重、穩(wěn)定荷載等荷載組合情況下，其抗滑安全系數(shù)小于允許值，即鎮(zhèn)墩不發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象。

2）地基承載力要求：鎮(zhèn)墩地基設(shè)計(jì)承載力需小于地基允許承載力。

3）抗傾覆穩(wěn)定要求：由于鎮(zhèn)墩有一定高度，若高度過高，則會(huì)出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象，因此需進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算。

4）不發(fā)生扭轉(zhuǎn)和裂縫限制要求：鎮(zhèn)墩在整個(gè)運(yùn)行期間，不得出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和溫度、荷載突變等裂縫問題，提前采取相應(yīng)措施避免破壞。

2、鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)計(jì)算

截取引水式電站一段壓力鋼管，對(duì)2號(hào)鎮(zhèn)墩進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中涉及參數(shù)包括：

管內(nèi)徑D0=1.600m；管壁厚t=0.01m；水重度γw=9.80kN/m；鋼材重度γs=76.93kN/m3；套管外徑D1=1.66m；套管內(nèi)徑D2=1.6m；鎮(zhèn)墩容重為21.56KN/m3；引用流量Q=8.4m3/s。

最初擬定鎮(zhèn)墩時(shí)，鎮(zhèn)墩尺寸應(yīng)能夠?qū)摴艿霓D(zhuǎn)彎段完全包住，管道外包混凝土厚度不宜小于管徑的0.8 倍，管道底距地面不宜小于0.6m。因此，初擬鎮(zhèn)墩尺寸：底面積S =29.4㎡；鎮(zhèn)墩高度為6.9m；保護(hù)層取1.64m。

偏心距計(jì)算數(shù)據(jù)在底寬三分線內(nèi)即為安全范圍內(nèi)，此工程要求鎮(zhèn)墩在基巖上不出現(xiàn)拉應(yīng)力即滿足地基應(yīng)力要求。

3、設(shè)計(jì)結(jié)果與迭代優(yōu)化結(jié)果

通過擬定鎮(zhèn)墩，其抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定及地基應(yīng)力情況，通過對(duì)工況，溫升，溫降的計(jì)算得出的結(jié)果可見，初步擬定的鎮(zhèn)墩能夠滿足抗滑、抗傾覆和地基承載力的要求。

通過計(jì)算機(jī)反復(fù)迭代，滿足安全穩(wěn)定的情況下，優(yōu)化鎮(zhèn)墩體型，抗滑、抗傾覆及地基應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi)。

4、工程措施及總結(jié)

有壓引水式電站中，鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)除了滿足基本要求和自重外，還需要對(duì)其抗滑、抗傾覆和地基承載力問題進(jìn)行校核分析，并針對(duì)墩內(nèi)管道的變形及墩體抗扭、防裂縫問題，提出必要的工程措施?？偨Y(jié)如下：

1）在鎮(zhèn)墩重量一定的情況下，要盡可能的減小體型，可加大沿軸線方向的長(zhǎng)度，增加抗滑穩(wěn)定系數(shù)；在寬度上滿足外包條件的同時(shí)，適當(dāng)降低鎮(zhèn)墩高度，增加其抗傾覆能力。

2）為了適應(yīng)鋼管徑向變形，在鎮(zhèn)墩包裹鋼管處，安設(shè)剛性環(huán)或者止推環(huán)，增加管道的剛度，防止不均勻形變。

3）為了提高鎮(zhèn)墩的抗扭性能及防止其產(chǎn)生裂縫，可在鎮(zhèn)墩內(nèi)部進(jìn)行配筋，或布置插筋，增強(qiáng)鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)的抗扭性和穩(wěn)定性。

4）較高鎮(zhèn)墩必須校核抗傾覆問題，提高鎮(zhèn)墩自身穩(wěn)定。如遇鋼管為空間轉(zhuǎn)彎，應(yīng)加大鎮(zhèn)墩寬度，并保證基地不出現(xiàn)拉應(yīng)力情況。

參考文獻(xiàn)：

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