高琰乔

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635)

0 引 言

由泵站输水至水厂的输水管道在整个供水工程中是不可或缺的部分，大多工程的输水管道布置在农田或者地势不平整的山间。

本工程位于广东省兴宁市，输水管道由泵房接入自来水厂新建沉淀池，整个管道布置于农垦荒地。本工程近期(2020)年最大取水量15.79万m3/d(1.83m3/s)，远期最大取水量29.21万m3/d(3.38m3/s)，因此输水管道采用双管，并在泵站外每条管设置一个电动蝶阀，则近期两根管道可互为备用。输水管道采用2根D1428X14的Q345钢管，单根管长1300m，设计内水压力为0.9MPa[1]。

1 探索背景

1)现行规范或者图集中弯管镇墩计算时，钢管弯头都是单向的，竖直方向或者水平方向，在有些地形复杂的工程中就会有大量的弯头及镇墩，对其施工进度及经济性来说，不是很有利。

2)目前管道工程中使用到的镇墩多为方正的混凝土墩这种单一型结构，这种结构型式简单，也便于施工搭模板。但是存在几点问题：①尺寸整体偏大，混凝土及钢筋量需求大，性价比不高；②土方开挖量大，征地范围大，如果在城市供水工程中会受到很大限制；③受力型式比较单调，只能靠镇墩的自重和侧面的被动土压力。

这种常见镇墩很难满足大管径、多管的要求，需要重新考虑有利于工程的结构，对上述问题都可有效缓解，达到明显效果。

为了减少水平和垂直的转弯数量和适应当地的地势变化，需要在有条件的基础上设置水平和垂直同时转弯的弯管，在这种弯管处设置镇墩比单向弯管处的镇墩结构受力复杂，镇墩常规结构图见图1。

图1 镇墩常规结构图

2 镇墩数量及结构优化

为了使工程中的镇墩结构更加的合理，经过各个方面的探究和对比，对现有常规的镇墩结构的以下方面进行优化，以提高镇墩本身的稳定性及控制混凝土量，更可以适用于大管径、多管、大流量的镇墩结构[2]。

1)根据现场地形条件，管道在竖直方向上有坡度变化，且在水平面布置上也有转弯情况，这种情况下，需要尽可能多的合并水平弯头与竖直弯头。

2)增加可以增大被动土压力的侧墙面积，就可以提升结构的利用率。被动土压力是增加镇墩抗滑阻力的主要因素之一，增大侧墙面积，被动土压力就会增加，达到受力平衡，所以镇墩侧墙可采用弧线形，此弧线与管道中线弧线平行，这样就是增大了镇墩增大被动土压力的侧墙面积。

3)增加镇墩底板面积，并且需要采取合理的摩擦系数，以增大摩阻力，减小基底应力及其不均匀系数。镇墩底板面积也是增加镇墩抗滑阻力的主要因素之一，增加底板面积，底板上的覆土体积将跟着增大，则整个结构的压力将大大增加，增大镇墩与地基之间的摩阻力，还减小了镇墩的地基应力不均匀系数。

4)调整侧墙高度以增大镇墩阻力，提高镇墩的抗倾覆稳定性。控制镇墩各力矩保持平衡，使镇墩的抗倾覆稳定性增加。

5)增加管道外侧钢筋网，可以有效提高镇墩薄弱部位的抗拉强度及镇墩的整体稳定性。

3 镇墩设计

3.1 镇墩合并

在镇墩合并过程中，首先借助Auto CAD在平面中尽可能少折点的确定输水管道线路，然后在测量纵断面中确定管线在垂直方向的节点，最后对比两图中相近桩号处的节点在不影响其他因素的情况下是否可以合并，尽可能多的将平面与垂直向的节点合并，这样可以使水流顺畅且减少水头损失，也可以节省镇墩量，从而节省工程投资[3]。

3.2 镇墩受力分析

镇墩的结构主要是满足稳定及基底应力，由于空间管镇墩在工作时是受到上下游管道轴向力和垂直管轴的法向力，地基摩擦力为Fu、土压力E1、E2，垂直荷载有镇墩自重Gd、上部覆土荷载F1、钢管水重Gw。

镇墩上下游管道承受的轴向力包括：钢管自重轴向分力、弯管处内水压力、伸缩节端部的内水压力、温变时支座垫板与钢管间摩擦力、水流离心力；垂直管轴的法向力：钢管自重分力、钢管水重分力。对于管径较大的管道，水流的离心力、对各个接口的摩擦力等相对内水压力小很多，可忽略不计；由于埋于地下，温度对管道影响也很小，也可忽略不计，因此只需计算内水压力产生的外推力F，并且此外推力只由镇墩来承受[4]，优化后镇墩平面图，见图2；优化后镇墩剖面图，见图3。

图2 优化后镇墩平面图

1-1剖面图

2-2剖面图

3.2.1 管道外推力分析

由上图可知，水平方向，上下游管道相对角为β，竖直方向，上下游管道相对水平面的角为α1、α2。建立直角坐标系，以上游管轴线为X轴，旋转90度为Y轴，垂直方向为Z轴，所以钢管对镇墩的总推力可用下式计算：

∑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下为上下游管道管轴方向合力；Q上、Q下为上下游管道垂直管轴方向合力；β1为上下游管道相对角，β2为0。

3.2.2 镇墩垂直荷载

镇墩所承受的垂直荷载有：镇墩自重、管道自重、钢管内水重、镇墩上部覆土荷载等。

3.2.3 镇墩的底面与地基摩擦力的标准值

镇墩底面的摩擦力主要是由镇墩所受的竖向荷载产生的，有地下水时需要减去地下水产生的浮力。摩擦力T可用下式计算：

T=Gu

(1)

式中：u为混凝土镇墩与地基的摩擦系数。

3.2.4 镇墩所受土压力分析

在设计镇墩时，如果仅考虑所受的竖向荷载产生的摩擦力，例如镇墩全部位于地面上，如果埋置于地下，必须考虑土压力的影响。对于镇墩来说，承受的土压力既有主动土压力又有被动土压力。

镇墩的被动土压力E1为：

(2)

镇墩的主动土压力E2为：

(3)

式中：γ为镇墩处原状土重度；Φ为原土等效内摩擦角；H、H1、H2所示见上图。

如果有地下水，则应该考虑地下水所影响的重度折减。

3.3 镇墩安全稳定分析

一般情况下，镇墩是靠自重及上面的覆土保持稳定，镇墩采用混凝土浇筑，管道外侧镇墩及外边缘都会配置防裂钢筋，所以强度肯定易于满足，就只需稳定计算就可满足要求。稳定计算包括抗滑稳定、抗倾覆稳定、地基应力和沉降等。在一些特别差的地质条件下，根据镇墩计算确定所需地基承载力，如果不满足，需进行地基处理，镇墩的沉降也是根据地质条件确定。设置镇墩型式时，根据管道弯度及方向，确定主要受力点位于镇墩的基本重心位置，所以镇墩的抗倾覆计算易满足。因此在镇墩的整个稳定计算过程中，如果地质条件满足镇墩需求，主要的控制因素是抗滑稳定和地基应力[5]。

3.3.1 抗滑稳定分析

镇墩的滑动是由管道的外推合力造成的，而且镇墩的抗滑力是由底面与接触处土体的摩擦力和墙后侧面土压力来维持稳定。镇墩在这些主要受力(管道的外推力合力、镇墩自重、管道自重、管内水重、上部覆土重、土的侧压力)作用下，抗滑稳定系数Kc≥允许抗滑稳定安全系数K=1.3-1.5，致使镇墩不发生移动。

(4)

式中：Gd为镇墩重量；GW为管道水重量；G1为管道重量；F1为上部土荷载。

此公式证明：增加上部覆土重量及增加侧墙面积是提高抗滑安全系数的主要指标。

3.3.2 抗滑稳定分析

镇墩的地基应力，分别用下式计算：

(5)

(6)

式中：X0、Y0、Z0为基础底面坐标轴，坐标中心与镇墩底面型心重合；∑MX0为∑X、∑Y、∑Z对底面X0轴的力矩和，kN·m；∑My0为∑X、∑Y、∑Z对底面y0轴的力矩和，kN·m；JX0、Jy0为基础底面对X0、y0轴的惯距，m4；lX0、ly0为地基应力计算点到X0、y0轴的距离，m；S为镇墩基础底面积，m2。

镇墩地基应力控制条件：平均地基应力不可大于地基允许承载力，最大的基底应力≤1.2倍地基允许承载力，地基应力更不可出现拉压力，基底应力不均匀系数≤2.0。

4 实 例

以本工程镇墩Z14作为例子，进行计算：

位于桩号YS0+434.9，上下游管段水平相对角度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，管中心线高程131.07m，管道的工作压力为0.2MPa，则管道的水压试验压力为0.2+0.5=0.7 MPa，远期双根管设计流量为3.38m3/s，此处地基承载力为220kPa，原状土容重为18kN/m3，镇墩与地基土摩擦系数为f=0.35，回填土内摩擦角为30°。由于本工程为双管，双管对于镇墩的受力分析，也是相应的乘以2，以达到稳定要求。抗滑稳定垂直方向力的计算结果，见表1。

表1 抗滑稳定垂直方向力的计算结果

4.1 镇墩的计算参数的选用

根据镇墩的型式，给出a、b两种型式的尺寸和混凝土用量，其中镇墩a是常规镇墩型式，镇墩b是优化后的镇墩型式，根据计算成果就可看出两种镇墩型式在经济上的对比根据上述计算方法，镇墩两种型式的尺寸和混凝土用量，见表2。

表2 镇墩两种型式的尺寸和混凝土用量

通过上表的模拟尺寸，进行计算，镇墩的计算参数，见表3。

表3 镇墩的计算参数

由上表可得出b镇墩的混凝土量最少，结构更稳定。

4.2 抗滑稳定计算

根据表2、3可得整个竖向力及侧向土压力，经过计算Ks=1.75，满足要求。

4.3 地基应力计算

镇墩地基应力计算结果，见表4：

表4 镇墩地基应力计算结果

经计算，σ<220kPa，满足要求。

检修工况及水压试验工况，经过校核，均满足规范要求，现不一一列出。

5 结 语

镇墩是供水工程中重要的构筑物，在整个系统中起着举足轻重的作用，大部分供水管道设置在农田或者山间，地形凹凸不平，且需按照具体既定路线铺设，不可避免出现弯头，为了节省投资及减少管道局部损失，尽量将水平及竖向弯管合并，形成空间角弯管。文章也详细阐述了镇墩的优化设计，优化后的镇墩的混凝土用量明显减少，利用镇墩结构的取长补短，增加侧墙及底面的受力面积，使得受力结构型式更加明确。文章提到的实例已经施工完成，进行完了通水试验，所有镇墩暂无发现明显位移及开裂，效果良好，为以后相似类型项目提供参考。