柔性接口给水管道支墩论述

魏媛媛

(太原市自来水公司供水设计院，山西太原 030009)

在城市供水工程管道敷设中，异形管支墩是最重要的管道附属构筑物之一，它可避免由于水流通过弯头、三通等管件时，产生较大拉力所造成管道连接口的松动、断裂等严重后果。管道支墩的设置需根据管径大小、管内水压高低、土壤耐压力的多少，以及土体稳定性情况等综合考虑。在太原市城市公共供水范围内，市政道路上敷设给水管网基本采用球磨铸铁管，住宅小区庭院内基本采用PE管，这两种管材均属柔性接口。给水管柔性接口是管网运行过程中的薄弱环节，在关键点的支墩设置关系到整个城市的供水安全，因此在供水工程设计中管道支墩的配置是重中之重。

1 支墩分类

根据异形管件在管道中的布置方式，支墩分为以下几种常用类型。

1.1 按支墩承受力的方向分类

1)水平支墩——水平支墩指抵消水平力而设置的支墩。根据管件类别分为水平弯管支墩、管道末端的堵板支墩、水平三通支墩。2)垂直弯管支墩——管线由水平方向转入铅垂方向的弯头支墩。根据弯头向上向下转弯方向的不同，分为垂直向上弯管支墩、垂直向下弯管支墩。3)空间两相扭曲支墩——管道中线既水平转向同时垂直转向的异型管支墩。

1.2 按支墩构筑形式分类

1)全包支墩——异形管四周用混凝土浇筑成一整体。2)侧向支墩——在异形管传导推力的一侧，并按支墩传力角的要求设置侧向支墩。侧向支墩体积、占地面积较大。3)带桩支墩——借助摩擦桩或承压桩的形式用以缩小支墩体积尺寸，在向上、向下弯管支墩中，选用带桩支墩较多。4)接口加固的异形管件支墩——利用金属卡箍将异形管的承插口间进行加固，以减少支墩尺寸，同时也可采用卡箍、钢筋和混凝土整体浇筑支墩，以缩小支墩尺寸。

2 支墩受力分析

在历年接触的工程实例中，常见的多为水平异形管件支墩及垂直弯管支墩，因此本次主要分析给水管在正常埋设情况下，一般性土壤地区，水平异形管件支墩及垂直弯管支墩的计算。对于设置在淤泥、湿陷性黄土、多年冻土、膨胀土地区的支墩需特殊计算，软土地区支墩的沉降问题应特殊考虑。

其中，dn为管道接口设计内径，mm，dn=αDD，αD为管道接口设计内径与管内径的转换系数，D为管内径，mm;Fwd，k为管道设计内水压力，MPa;P为管道截面外推力标准值，kN。

2)水平支墩承受截面外推力P对支墩产生的水压合力标准值 Fwp，k。弯管处:Fwp，k=2Psinα/2。

其中，α为弯管的角度。

三通及管堵处:Fwp，k=P。

3)垂直向支墩承受水压合力产生的垂直力N及水平力Fh标准值。

垂直向上弯管:垂直向下分力:N=Psinα。

水平分力:Fh=P(1－cosα)。

垂直向下弯管:垂直向上分力:N=Psinα。

水平分力:Fh=P(1－cosα)。

4)支墩承受土压力计算。

a.支墩迎推土侧的主动土压力标准值Fep，k。

地下水低于支墩底面时:Fep，k=1/3

地下水高于支墩顶面时:Fep，k=1/3γ')ZW(Z2－Z1)］L。

b.支墩抗推力侧的被动土压力标准值Fpk。

地下水低于支墩底面时:Fpk=tg2(45°+φd/2)

地下水高于支墩顶面时:Fpk=tg2(45°+φd/2+(γs1－γs')ZW(Z2－Z1)］L。

其中，Fep，k为支墩迎推力侧的主动土压力标准值;Fpk为支墩抗推力侧的被动土压力标准值;γs1为地下水位以上的原状土重度;γs3为主动土压力计算采用的回填土重度;γs'为地下水位以下土的有效重度;Z1为支墩顶在设计地面以下的深度;Z2为支墩底在设计地面以下的深度;ZW为地下水位在设计地面以下的深度;φd为土壤等效内摩擦角。

5)支墩底部滑动平面上摩擦力标准值Ffk计算。

支墩的重量G=γCVC。

支墩顶部覆土的重量W=γs2VS。

支墩及其顶部覆土所受浮托力标准值Ffw，k=γwA(Z2－ZW)。

水平向支墩滑动平面上摩擦力标准值Ffk=(G+W－Ffw，k)f。

垂直向上弯管支墩滑动平面上摩擦力标注值Ffk=(G+W+N － Ffw，k)f。

垂直向下弯管支墩滑动平面上摩擦力标注值Ffk=(G+WN － Ffw，k)f。

其中，N为支墩承受的水压合力的垂直向上/下分力;γC为混凝土重度;γs2为支墩、管件基础顶部覆土重度;γw为地下水重度;VC为支墩混凝土体积;VS为支墩顶部覆土体积;A为支墩底面积;Ffw，k为支墩及其顶部覆土所受浮托力标准值;Ffk为支墩滑动平面上摩擦力标准值;G为支墩混凝土自重;W为支墩顶部覆土重量;f为土对混凝土支墩底部摩擦系数。

此外，还需进行支墩抗推力稳定验算、地基承载力验算，包括水平向、垂直向上、垂直向下弯管支墩抗推力稳定验算，以及垂直向下弯管支墩的垂直向稳定验算。

3 支墩尺寸确定

支墩的尺寸是随管径、管道弯管的角度、管道的设计内水压力、覆土深度、土壤等效内摩擦角、地基承载力特征值等参数的变化而变化。水平支墩通常以被动土压力来计算土壤反力，以这种反力来平衡异型管传给支墩的外推力，并通过这样的平衡试算，确定支墩的高度和长度。对于弯管支墩的计算长度不是按弧形长度，而是按弧形投影面的支线长度。若支墩后的土层被破坏，是被动土压力消失，为了保持管道还能正常运行，应复核支墩重量，加上管重、管内介质重、管上覆土重共同对土壤的摩擦力，以及管道接口的阻力或许用拉力及剪切力值，是否能承受住管道在工作压力下所形成的外推力。一般计算式也可以用支墩重量与地基之间的摩擦力来计算。

垂直向上弯管支墩一般按覆土条件计算，支墩高度应符合施工工作坑的深度要求。垂直向下弯管支墩也是按覆土状态来计算，支墩尺寸可通过试算方法来确定。支墩顶面高于管顶的距离为h，当支墩高度H=h时，该支墩砌筑在管顶上;当h=0.5H时，为全包支墩;当h≤0.1 m时，应采用U形钢箍将给水管固定在混凝土支墩中。

4 几点说明

1)混凝土强度等级一般采用C15，当处于腐蚀性环境或对耐久性有特殊要求时，按照GB 50010-2002混凝土结构设计规范等规范要求自行适当提高混凝土强度等级。当强度达到设计强度后方可做管道压力试验。2)钢筋采用HPB235级钢筋。3)水平支墩抗推力侧必须是原状土，并保证支墩和土体紧密接触，否则应以C15素混凝土填实。垂直向下弯管支墩必须在管道压力试验前回填土并分层夯实，且回填土应满足覆土深度要求。4)垂直向上弯管支墩，弯管被支墩包入部分的中心角不得小于135°。5)有地下水时，施工降水后，应在支墩底部敷设100 mm厚碎石层。