山区输配水管道柔性接口镇墩形式优化的探讨

2012-09-25赵娟

陕西水利 2012年6期

赵娟

（陕西省水利电力勘测设计研究院陕西西安 710001）

1 前言

目前我国乡镇用水点比较分散，输配水管道的工程投资及工程量也相对较大，特别是在山区，由于坡高路险、地形起伏较大，修建输配水管道时转角较多，镇墩数量也比较多，给镇墩和管道的设计与施工带来不少困难，施工过程中的建筑材料运输也十分不便，加大了设计与施工的难度，因此优化镇墩形式，减少建筑材料用量，提高混凝土利用率，对降低施工难度和工程造价都十分必要。

2 镇墩和地基的稳定性及强度验算

2.1 镇墩稳定性及强度验算

镇墩稳定性验算包括抗倾覆验算和抗滑稳定验算。稳定分析时，如全部作用力合力的作用点都不超出镇墩基础以外，就不会倾覆。一般情况下为了使地基受力均匀，都要求合力R的作用点在基础底面的中三分点以内，故不必进行抗倾覆验算只验算抗滑稳定即可。

镇墩强度验算的方法主要有图解法和数解法，可按照材料力学方法计算截面应力校核镇墩强度，对于重力式镇墩，主要是校核抗拉强度是否满足要求。

2.2 地基稳定性及强度验算

镇墩建立在坡体上时，应按照土力学理论验算坡体是否稳定。如果应用滑弧理论将空间问题转化为平面问题进行演算，是比较保守的。

在镇墩的设计过程中一般都会要求合力R对基础底面形心的偏心距e≤L/6，因此地基的稳定性可以保证。地基强度验算一般需验算最大压应力是否在地基允许承载能力范围内。

与镇墩密切相关的山区工程地质条件主要可分为两类：一类是松散地层段，此段落内松散堆积层厚度较大，镇墩基础条件较差；另一类是基岩出露段或者基岩埋深较浅段，在此段落内镇墩可直接修筑于基岩上或者清表后修建于基岩之上。以下分别就这两类地质条件下的镇墩形式优化进行了探讨。

3 松散地层地基镇墩形式的优化

能够适用于松散地层地基的镇墩形式较多，不过归纳起来都可总结为图1的样式，这种结构形式简单，易于施工，在平原区应用较多，但地基应力及地基应力不均匀系数较大，且抗滑抗倾覆性能较差，混凝土利用率比较低，不能适应山区建筑材料运输十分困难的环境，因此在山区修建镇墩时需要对现有的镇墩形式进行优化。

3.1 优化目的

提高混凝土利用率，降低建筑材料用量的同时保证镇墩稳定性。

3.2 优化方法

为使镇墩的结构更好的适应山区的建设环境，经过多方面的比较和探索，我们总结出一种新型的镇墩结构形式，如图2所示。

3.3 优化措施分析

（1）增加镇墩底板。镇墩抗滑阻力的主要因素之一是镇墩与地基之间的摩阻力，增大镇墩底板面积，镇墩与地基之间的摩阻力可随之增大。底板面积增大，同时可减小镇墩的基底应力及其不均匀系数。

（2）扩展侧墙面积。镇墩抗滑阻力的另一主要因素是被动土压力，扩展侧墙面积，可以显著增大镇墩的抗滑阻力。设置合理的侧墙高度不仅可以促使镇墩保持平衡而且可以显著地提高镇墩的抗倾覆能力。

（3）新型镇墩由主墩体、侧墙和底板构成，应根据受力情况进行强度校核，若局部强度不够，须配筋补强。

3.4 新型镇墩安全稳定性分析

3.4.1 受力分析

柔性镇墩在工作状态下承受的荷载一般有：弯管外推力R、地基摩阻力F、被动土压力E1、主动土压力E2、垂直方向的总重力GZ（包括镇墩自重、管重、水重、覆土重，地下水位高时应考虑浮力），以及地基反力Q，如图3所示。

（1）弯管外推力分析。弯管外推力实际应由内水压力、水流离心力、水流与管壁的摩擦力、温度应力、承插口摩擦力等多种因素综合产生。但对于管径较大、内水压力较大的地下埋管，温度应力、水流与管壁的摩擦力、承插口摩擦力均较小，可忽略不计，此时管道的外推力R完全由内水压力产生，并由镇墩承受。角度为α的弯管外推力计算公式：

Po——最不利工况下的最大内水压力；

D——管道内径；

α——为弯管角度。

（2）镇墩底面与地基的摩阻力F=μGZ，式中，μ为镇墩与地基的摩擦系数。

（3）支墩一般会借助土体自身产生的抗力采用被动土压力的原理进行设计，土压力产生的抗滑阻力：T=E1-E2；

被动土压力：

主动土压力：

式中，h1——设计地面线距镇墩顶面的高度；

h2——设计地面线距镇墩底面的高度；

L——在垂直于外推力方向上镇墩的投影长度；

φ——土壤的内摩擦角；

γ——土壤重力密度。

镇墩设计过程中一般不考虑被动土压力，其抗滑阻力计算原则为：参考被动土压力原理的土抗力的计算方法。

计算公式为：T=Hbσ。

式中，b——作用力在镇墩上的宽度；

H=h2－h1为土抗力在镇墩上的高度；

据陕西多个工程经验总结，一般情况，当H≤5m时，σ抗≈30kN/m2，当5m＜H≤10m时，σ抗≈30kN/m2～45kN/m2[5]。

由第2节的分析可知镇墩稳定性计算主要需校核镇墩抗滑稳定性。

如果抗滑稳定性满足设计要求则：

其中k为抗滑安全系数。由分析过程可以证明侧墙面积和底面积增大均能提高镇墩的抗滑安全系数，反之可证明若安全系数要求相同，则可以降低镇墩自重，减少材料用量，提高利用效率。

3.4.3 强度分析

由第2节的分析可知，地基强度计算主要验算最大压应力是否在地基允许承载能力范围内。地基边缘最大应力，最小应力若η，则满足设计要求。其中A为镇墩底板面积；M为各作用力对镇墩底面形心的总弯矩；W为镇墩底面的抗弯模量；[R]为地基最大容许应力；η为地基容许不均匀系数。

由分析过程可以证明底板面积增大能减小镇墩地基的最大应力，降低不均匀系数，反之可证明若地基容许应力和不均匀系数要求不变，则可以降低镇墩自重，减少材料用量，提高利用效率。

4 基岩地基镇墩形式的优化

图1 镇墩样式

图2 镇墩结构形式

当镇墩修建于基岩之上时，合理的使用锚杆，利用锚杆抗拉强度、抗剪强度高的特点，将镇墩形式优化为加锚杆镇墩（如图4），可以有效的提高材料利用效率，减少材料用量，降低施工难度。加锚杆镇墩使用的首要条件是基岩出露好，岩石强度高。

图3 柔性镇墩工作状态下承受的荷载

图4 加锚杆镇墩

加锚杆镇墩的设计一般分为以下三个步骤：①按构造要求拟定镇墩几何尺寸。②校核镇墩的稳定性。③若镇墩稳定性满足要求，则进行下一步设计；若镇墩稳定性不满足，加上锚杆重新设计，通过计算确定锚杆的长度和根数。若锚杆间距过小，可适当调整镇墩尺寸。

由图2可以看出，MoO3原料的费氏粒度相对普遍较大。结合图1扫描电镜照片看，MoO3原料粒度大是一种“假象” ，是由大量非常细小的(1 μm及以下)MoO3晶体颗粒聚集组成的团聚“假颗粒”。MoO2及Mo粉的颗粒又相对较小，且基本遵循MoO2粒度大、钼粉粒度大的遗传特性。工艺②所出钼粉整体平均费氏粒度较工艺①小。

加锚杆镇墩中，确定锚杆布置方式和用量非常重要，现介绍如下。