供水工程中空間彎管鎮(zhèn)墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)

高琰喬

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

0 引 言

由泵站輸水至水廠的輸水管道在整個(gè)供水工程中是不可或缺的部分，大多工程的輸水管道布置在農(nóng)田或者地勢不平整的山間。

本工程位于廣東省興寧市，輸水管道由泵房接入自來水廠新建沉淀池，整個(gè)管道布置于農(nóng)墾荒地。本工程近期(2020)年最大取水量15.79萬m3/d(1.83m3/s)，遠(yuǎn)期最大取水量29.21萬m3/d(3.38m3/s)，因此輸水管道采用雙管，并在泵站外每條管設(shè)置一個(gè)電動(dòng)蝶閥，則近期兩根管道可互為備用。輸水管道采用2根D1428X14的Q345鋼管，單根管長1300m，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為0.9MPa[1]。

1 探索背景

1)現(xiàn)行規(guī)范或者圖集中彎管鎮(zhèn)墩計(jì)算時(shí)，鋼管彎頭都是單向的，豎直方向或者水平方向，在有些地形復(fù)雜的工程中就會(huì)有大量的彎頭及鎮(zhèn)墩，對(duì)其施工進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)性來說，不是很有利。

2)目前管道工程中使用到的鎮(zhèn)墩多為方正的混凝土墩這種單一型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)型式簡單，也便于施工搭模板。但是存在幾點(diǎn)問題：①尺寸整體偏大，混凝土及鋼筋量需求大，性價(jià)比不高；②土方開挖量大，征地范圍大，如果在城市供水工程中會(huì)受到很大限制；③受力型式比較單調(diào)，只能靠鎮(zhèn)墩的自重和側(cè)面的被動(dòng)土壓力。

這種常見鎮(zhèn)墩很難滿足大管徑、多管的要求，需要重新考慮有利于工程的結(jié)構(gòu)，對(duì)上述問題都可有效緩解，達(dá)到明顯效果。

為了減少水平和垂直的轉(zhuǎn)彎數(shù)量和適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡貏葑兓?，需要在有條件的基礎(chǔ)上設(shè)置水平和垂直同時(shí)轉(zhuǎn)彎的彎管，在這種彎管處設(shè)置鎮(zhèn)墩比單向彎管處的鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，鎮(zhèn)墩常規(guī)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 鎮(zhèn)墩常規(guī)結(jié)構(gòu)圖

2 鎮(zhèn)墩數(shù)量及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了使工程中的鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)更加的合理，經(jīng)過各個(gè)方面的探究和對(duì)比，對(duì)現(xiàn)有常規(guī)的鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)的以下方面進(jìn)行優(yōu)化，以提高鎮(zhèn)墩本身的穩(wěn)定性及控制混凝土量，更可以適用于大管徑、多管、大流量的鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)[2]。

1)根據(jù)現(xiàn)場地形條件，管道在豎直方向上有坡度變化，且在水平面布置上也有轉(zhuǎn)彎情況，這種情況下，需要盡可能多的合并水平彎頭與豎直彎頭。

2)增加可以增大被動(dòng)土壓力的側(cè)墻面積，就可以提升結(jié)構(gòu)的利用率。被動(dòng)土壓力是增加鎮(zhèn)墩抗滑阻力的主要因素之一，增大側(cè)墻面積，被動(dòng)土壓力就會(huì)增加，達(dá)到受力平衡，所以鎮(zhèn)墩側(cè)墻可采用弧線形，此弧線與管道中線弧線平行，這樣就是增大了鎮(zhèn)墩增大被動(dòng)土壓力的側(cè)墻面積。

3)增加鎮(zhèn)墩底板面積，并且需要采取合理的摩擦系數(shù)，以增大摩阻力，減小基底應(yīng)力及其不均勻系數(shù)。鎮(zhèn)墩底板面積也是增加鎮(zhèn)墩抗滑阻力的主要因素之一，增加底板面積，底板上的覆土體積將跟著增大，則整個(gè)結(jié)構(gòu)的壓力將大大增加，增大鎮(zhèn)墩與地基之間的摩阻力，還減小了鎮(zhèn)墩的地基應(yīng)力不均勻系數(shù)。

4)調(diào)整側(cè)墻高度以增大鎮(zhèn)墩阻力，提高鎮(zhèn)墩的抗傾覆穩(wěn)定性?？刂奇?zhèn)墩各力矩保持平衡，使鎮(zhèn)墩的抗傾覆穩(wěn)定性增加。

5)增加管道外側(cè)鋼筋網(wǎng)，可以有效提高鎮(zhèn)墩薄弱部位的抗拉強(qiáng)度及鎮(zhèn)墩的整體穩(wěn)定性。

3 鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)

3.1 鎮(zhèn)墩合并

在鎮(zhèn)墩合并過程中，首先借助Auto CAD在平面中盡可能少折點(diǎn)的確定輸水管道線路，然后在測量縱斷面中確定管線在垂直方向的節(jié)點(diǎn)，最后對(duì)比兩圖中相近樁號(hào)處的節(jié)點(diǎn)在不影響其他因素的情況下是否可以合并，盡可能多的將平面與垂直向的節(jié)點(diǎn)合并，這樣可以使水流順暢且減少水頭損失，也可以節(jié)省鎮(zhèn)墩量，從而節(jié)省工程投資[3]。

3.2 鎮(zhèn)墩受力分析

鎮(zhèn)墩的結(jié)構(gòu)主要是滿足穩(wěn)定及基底應(yīng)力，由于空間管鎮(zhèn)墩在工作時(shí)是受到上下游管道軸向力和垂直管軸的法向力，地基摩擦力為Fu、土壓力E1、E2，垂直荷載有鎮(zhèn)墩自重Gd、上部覆土荷載F1、鋼管水重Gw。

鎮(zhèn)墩上下游管道承受的軸向力包括：鋼管自重軸向分力、彎管處內(nèi)水壓力、伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力、溫變時(shí)支座墊板與鋼管間摩擦力、水流離心力；垂直管軸的法向力：鋼管自重分力、鋼管水重分力。對(duì)于管徑較大的管道，水流的離心力、對(duì)各個(gè)接口的摩擦力等相對(duì)內(nèi)水壓力小很多，可忽略不計(jì)；由于埋于地下，溫度對(duì)管道影響也很小，也可忽略不計(jì)，因此只需計(jì)算內(nèi)水壓力產(chǎn)生的外推力F，并且此外推力只由鎮(zhèn)墩來承受[4]，優(yōu)化后鎮(zhèn)墩平面圖，見圖2；優(yōu)化后鎮(zhèn)墩剖面圖，見圖3。

圖2 優(yōu)化后鎮(zhèn)墩平面圖

1-1剖面圖

2-2剖面圖

3.2.1 管道外推力分析

由上圖可知，水平方向，上下游管道相對(duì)角為β，豎直方向，上下游管道相對(duì)水平面的角為α1、α2。建立直角坐標(biāo)系，以上游管軸線為X軸，旋轉(zhuǎn)90度為Y軸，垂直方向?yàn)閆軸，所以鋼管對(duì)鎮(zhèn)墩的總推力可用下式計(jì)算：

∑X=(F上cosα1-Q上sinα1)cosβ1+(F下cosα2-Q下sinα2)cosβ2；

∑Y=(F上cosα1-Q上sinα1)sinβ1+(F下cosα2-Q下sinα2)sinβ2；

∑Z=(F上sinα1+Q上cosα1)+(F下sinα2+Q下cosα2)

式中：F上、F下為上下游管道管軸方向合力；Q上、Q下為上下游管道垂直管軸方向合力；β1為上下游管道相對(duì)角，β2為0。

3.2.2 鎮(zhèn)墩垂直荷載

鎮(zhèn)墩所承受的垂直荷載有：鎮(zhèn)墩自重、管道自重、鋼管內(nèi)水重、鎮(zhèn)墩上部覆土荷載等。

3.2.3 鎮(zhèn)墩的底面與地基摩擦力的標(biāo)準(zhǔn)值

鎮(zhèn)墩底面的摩擦力主要是由鎮(zhèn)墩所受的豎向荷載產(chǎn)生的，有地下水時(shí)需要減去地下水產(chǎn)生的浮力。摩擦力T可用下式計(jì)算：

T=Gu

(1)

式中：u為混凝土鎮(zhèn)墩與地基的摩擦系數(shù)。

3.2.4 鎮(zhèn)墩所受土壓力分析

在設(shè)計(jì)鎮(zhèn)墩時(shí)，如果僅考慮所受的豎向荷載產(chǎn)生的摩擦力，例如鎮(zhèn)墩全部位于地面上，如果埋置于地下，必須考慮土壓力的影響。對(duì)于鎮(zhèn)墩來說，承受的土壓力既有主動(dòng)土壓力又有被動(dòng)土壓力。

鎮(zhèn)墩的被動(dòng)土壓力E1為：

(2)

鎮(zhèn)墩的主動(dòng)土壓力E2為：

(3)

式中：γ為鎮(zhèn)墩處原狀土重度；Φ為原土等效內(nèi)摩擦角；H、H1、H2所示見上圖。

如果有地下水，則應(yīng)該考慮地下水所影響的重度折減。

3.3 鎮(zhèn)墩安全穩(wěn)定分析

一般情況下，鎮(zhèn)墩是靠自重及上面的覆土保持穩(wěn)定，鎮(zhèn)墩采用混凝土澆筑，管道外側(cè)鎮(zhèn)墩及外邊緣都會(huì)配置防裂鋼筋，所以強(qiáng)度肯定易于滿足，就只需穩(wěn)定計(jì)算就可滿足要求。穩(wěn)定計(jì)算包括抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、地基應(yīng)力和沉降等。在一些特別差的地質(zhì)條件下，根據(jù)鎮(zhèn)墩計(jì)算確定所需地基承載力，如果不滿足，需進(jìn)行地基處理，鎮(zhèn)墩的沉降也是根據(jù)地質(zhì)條件確定。設(shè)置鎮(zhèn)墩型式時(shí)，根據(jù)管道彎度及方向，確定主要受力點(diǎn)位于鎮(zhèn)墩的基本重心位置，所以鎮(zhèn)墩的抗傾覆計(jì)算易滿足。因此在鎮(zhèn)墩的整個(gè)穩(wěn)定計(jì)算過程中，如果地質(zhì)條件滿足鎮(zhèn)墩需求，主要的控制因素是抗滑穩(wěn)定和地基應(yīng)力[5]。

3.3.1 抗滑穩(wěn)定分析

鎮(zhèn)墩的滑動(dòng)是由管道的外推合力造成的，而且鎮(zhèn)墩的抗滑力是由底面與接觸處土體的摩擦力和墻后側(cè)面土壓力來維持穩(wěn)定。鎮(zhèn)墩在這些主要受力(管道的外推力合力、鎮(zhèn)墩自重、管道自重、管內(nèi)水重、上部覆土重、土的側(cè)壓力)作用下，抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc≥允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.3-1.5，致使鎮(zhèn)墩不發(fā)生移動(dòng)。

(4)

式中：Gd為鎮(zhèn)墩重量；GW為管道水重量；G1為管道重量；F1為上部土荷載。

此公式證明：增加上部覆土重量及增加側(cè)墻面積是提高抗滑安全系數(shù)的主要指標(biāo)。

3.3.2 抗滑穩(wěn)定分析

鎮(zhèn)墩的地基應(yīng)力，分別用下式計(jì)算：

(5)

(6)

式中：X0、Y0、Z0為基礎(chǔ)底面坐標(biāo)軸，坐標(biāo)中心與鎮(zhèn)墩底面型心重合；∑MX0為∑X、∑Y、∑Z對(duì)底面X0軸的力矩和，kN·m；∑My0為∑X、∑Y、∑Z對(duì)底面y0軸的力矩和，kN·m；JX0、Jy0為基礎(chǔ)底面對(duì)X0、y0軸的慣距，m4；lX0、ly0為地基應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)到X0、y0軸的距離，m；S為鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)底面積，m2。

鎮(zhèn)墩地基應(yīng)力控制條件：平均地基應(yīng)力不可大于地基允許承載力，最大的基底應(yīng)力≤1.2倍地基允許承載力，地基應(yīng)力更不可出現(xiàn)拉壓力，基底應(yīng)力不均勻系數(shù)≤2.0。

4 實(shí) 例

以本工程鎮(zhèn)墩Z14作為例子，進(jìn)行計(jì)算：

位于樁號(hào)YS0+434.9，上下游管段水平相對(duì)角度β=38°，上游管段垂直角度α1=11°，下游管段垂直角度α2=0°,地面高程132.74m，管中心線高程131.07m，管道的工作壓力為0.2MPa，則管道的水壓試驗(yàn)壓力為0.2+0.5=0.7 MPa，遠(yuǎn)期雙根管設(shè)計(jì)流量為3.38m3/s，此處地基承載力為220kPa，原狀土容重為18kN/m3，鎮(zhèn)墩與地基土摩擦系數(shù)為f=0.35，回填土內(nèi)摩擦角為30°。由于本工程為雙管，雙管對(duì)于鎮(zhèn)墩的受力分析，也是相應(yīng)的乘以2，以達(dá)到穩(wěn)定要求。抗滑穩(wěn)定垂直方向力的計(jì)算結(jié)果，見表1。

表1 抗滑穩(wěn)定垂直方向力的計(jì)算結(jié)果

4.1 鎮(zhèn)墩的計(jì)算參數(shù)的選用

根據(jù)鎮(zhèn)墩的型式，給出a、b兩種型式的尺寸和混凝土用量，其中鎮(zhèn)墩a是常規(guī)鎮(zhèn)墩型式，鎮(zhèn)墩b是優(yōu)化后的鎮(zhèn)墩型式，根據(jù)計(jì)算成果就可看出兩種鎮(zhèn)墩型式在經(jīng)濟(jì)上的對(duì)比根據(jù)上述計(jì)算方法，鎮(zhèn)墩兩種型式的尺寸和混凝土用量，見表2。

表2 鎮(zhèn)墩兩種型式的尺寸和混凝土用量

通過上表的模擬尺寸，進(jìn)行計(jì)算，鎮(zhèn)墩的計(jì)算參數(shù)，見表3。

表3 鎮(zhèn)墩的計(jì)算參數(shù)

由上表可得出b鎮(zhèn)墩的混凝土量最少，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

4.2 抗滑穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)表2、3可得整個(gè)豎向力及側(cè)向土壓力，經(jīng)過計(jì)算Ks=1.75，滿足要求。

4.3 地基應(yīng)力計(jì)算

鎮(zhèn)墩地基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，見表4：

表4 鎮(zhèn)墩地基應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，σ<220kPa，滿足要求。

檢修工況及水壓試驗(yàn)工況，經(jīng)過校核，均滿足規(guī)范要求，現(xiàn)不一一列出。

5 結(jié) 語

鎮(zhèn)墩是供水工程中重要的構(gòu)筑物，在整個(gè)系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用，大部分供水管道設(shè)置在農(nóng)田或者山間，地形凹凸不平，且需按照具體既定路線鋪設(shè)，不可避免出現(xiàn)彎頭，為了節(jié)省投資及減少管道局部損失，盡量將水平及豎向彎管合并，形成空間角彎管。文章也詳細(xì)闡述了鎮(zhèn)墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的鎮(zhèn)墩的混凝土用量明顯減少，利用鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)的取長補(bǔ)短，增加側(cè)墻及底面的受力面積，使得受力結(jié)構(gòu)型式更加明確。文章提到的實(shí)例已經(jīng)施工完成，進(jìn)行完了通水試驗(yàn)，所有鎮(zhèn)墩暫無發(fā)現(xiàn)明顯位移及開裂，效果良好，為以后相似類型項(xiàng)目提供參考。