某供水工程镇墩的优化设计分析

周理想,张　敏

(1.广东省水利电力勘测设计研究院,广州　510635;2.广州市水务规划勘测设计研究院,广州　510640)



某供水工程镇墩的优化设计分析

周理想1,张敏2

(1.广东省水利电力勘测设计研究院,广州510635;2.广州市水务规划勘测设计研究院,广州510640)

摘要：在常规平底镇墩底部加设抗滑凸榫，充分利用凸榫提供的被动土压力，提高压力管道镇墩的抗滑稳定性，减少镇墩的工程费用。采用简化的刚体极限平衡理论对常规平底镇墩和凸榫镇墩的抗滑稳定安全系数进行了对比分析。以广州市某引水工程镇墩为例，进行求解对比分析其抗滑安全系数，为今后此种结构设计做出参考。

关键词：镇墩；凸榫；抗滑稳定性；被动土压力

0 前言

管道沿其轴线每隔一定距离需设置一个体积较大的混凝土墩将其固定，这个墩座称为镇墩，镇墩是重要的水工建筑物，镇墩的设计过程中最重要的2部分是：抗滑稳定性分析和抗倾覆稳定性分析。平底镇墩由于其结构简单便于施工在供水工程中得到广泛应用，为提高结构的抗滑稳定性，在常规平底镇墩底面上加设了抵抗滑动的凸榫，减小了结构的断面尺寸，降低了单位工程造价，所以对凸榫式镇墩的抗滑稳定性研究是颇具现实意义的工程课题。

1平底镇墩的抗滑稳定计算

未设凸榫[1]的常规平底镇墩，通过自重与基础底面的摩擦力维持抗滑稳定，结构失稳时将会沿挡土墙基底面与土质地基的接触面发生滑动。如图1所示。

图1　常规平底镇墩抗滑分析模型图

安全系数[2-4]KC的计算公式为：

(1)

式中：c0为挡土墙基底面与土质地基之间的粘聚力；A为挡土墙基底面积；φ0为挡 土墙基底面与土质地基之间的摩擦角;∑G、∑H分别为作用在镇墩上全部竖向、水平面的荷载，kN。

2凸榫镇墩的抗滑稳定计算

2.1土体破坏模式及分析方法

极限平衡法[5-6]是经典的力学分析方法,计算简便,又有一套与之相应的规范,因此得到了广泛的应用。

极限平衡法是作为稳定分析中最常用的计算方法，该法的基本前提是将滑体视为刚体，不考虑其变形，以及变形协调问题，以平面破坏模式为主，且认为滑体的破坏服从摩尔库伦准则，由于极限平衡法对滑坡的边界条件大大地进行了简化,而计算中选用的各种参数往往是确定的或线性变化的,因而需要对复杂现象进行简化处理。极限平衡法大致可分为3类:满足整体力矩平衡法、满足力平衡法、满足力和力矩的平衡法[7]。当抗滑安全系数K=1时，滑体处于极限平衡状态；当抗滑安全系数K>1时，滑体处于稳定状态；当抗滑安全系数K<1时，滑体处于破坏状态。各种极限平衡法所做的假设不同,对计算结果以及精度亦有显著影响[8]。

2.2凸榫镇墩极限平衡理论分析

在上述假设条件成立的前提下，建立一个凸榫滑动破坏模型[9]，如图2所示。

图2　凸榫滑动破坏模型图

图中：A为齿前破裂楔体；B为齿后破裂楔体(包含齿坎);T1、T2分别为齿后滑动面和齿前滑动面所受的摩擦阻力;N1、N2分别为齿后滑动面和齿前滑动面所受的下部土体的正压力;N0为楔体B与齿坎之间的正压力 ;G1、G2分别为楔体A和B的自重(G2包括齿坎重量 ) ;α、β为滑动面倾角 。

根据力学平衡条件列出力学平衡方程[10]：

∑Y=0

T0=N0tanδ/K

本文采取简化方法求解，不考虑整体滑动面，且不考虑凸榫后破裂楔体自重,只对镇墩自身进行抗滑稳定性研究。由于设置凸榫，在进行抗滑稳定性分析时应考虑凸榫前的被动土压力。

2.3凸榫镇墩抗滑分析

镇墩土压力按照位移情况可分为静止、主动和被动3种。静止土压力[11]是指镇墩不发生任何方向的位移，镇墩前后侧面上的土压力；主动土压力是指在镇墩侧面土体作用下向前发生移动，致使镇墩侧面填土的应力达到极限平衡状态时，侧面土体施于镇墩上的土压力，一般镇墩两侧土体受力对称，本文不予考虑；被动土压力是指镇墩在某种外力作用下向前发生移动而使得凸榫推挤填土，致使土体的应力达到极限平衡状态时，基础土体施加于凸榫面上的土压力[12]。如图3所示，φ为土体内摩擦角；φe为等代内摩擦角。

图3　凸榫镇墩抗滑分析模型图

凸榫前受到的平均被动土压力为：

式中：γ为土容重；q为镇墩基底应力；ht为凸榫高度。

镇墩凸榫能提供的被动土压力为：

2.4被动土压力的折减

文献[13]认为由于土的压缩性较管道大，在实际工程中凸榫前楔体在达到被动土压力极值之前，管道早已开裂受损或承插接头脱开破坏，所以在验算镇墩的稳定性时，通常取其70%比较合理 。因此考虑了被动土压力[14]的折减后的镇墩抗滑安全系数K1为：

式中：Fp1为作用在凸榫1上的被动土压力[15],kN；Fp2为作用在凸榫2上的被动土压力,kN；λ为被动土压力的折减系数，取0.7。

3工程实例

广州市某引水工程通过铺设2条直径为1.8 m、单管长46.5 km的原水主干管，以及共计23.8 km的原水支管，工程全线途经36个行政村、110个自然村，穿越3条铁路、6条高速公路、2条国道、多条主要市政路、9座大型桥梁、3条主要航道及47条大小河涌，涉及征借地多达223.84 hm2。本文以该供水工程输水管镇墩的2种型式进行对比求解，模型1为常规平底镇墩，模型2为凸榫镇墩。两镇墩基本尺寸如表1所示：

表1　模型基本尺寸表

经求解，镇墩上水平受力F=1 679 kN，竖向受力G=2 346 kN，计算结果如表2所示。

表2　水平竖向受力计算表

在不同土质情况下进行比较，采用简化方法分析对比常规平底镇墩和凸榫镇墩的安全系数，结果见表3。

表3　不同地质的镇墩抗滑安全系数对比表

可以看出，凸榫对抗滑安全系数的大小跟土质关系较大，当土体内摩擦角较大时，镇墩抗滑系数能提高约1.4倍。在土体内摩角很小情况下，镇墩抗滑系数能提高约1.2倍。

4结语

本文通过对凸榫镇墩和常规镇墩的土压力受力模型进行理论分析的基础上考虑满足工程精度的前提下简化计算模型，并对广州某供水工程实例进行分析，通过2个模型的抗滑安全系数对比分析，其特点总结如下：

(1) 通过在平底镇墩底部设置凸榫，可利用凸榫前土体产生的被动土压力，同时滑动机理由底部摩擦变成凸榫后土体的剪切破坏，使得镇墩的抗滑能力提高。

(2) 本文通过对模型进行简化分析，简化求解方法，可为相关工程设计提供参考，若实际工程中并未考虑凸榫后滑动体的作用，可以作为一种安全储备来考虑。

(3) 通过对比分析可知，凸榫镇墩对抗滑安全系数的大小与基础的土质有较大的相关性，当镇墩下土的内摩擦角较大时，镇墩的抗滑安全系数能提高到约1.4倍。当内摩角较小情况下，镇墩的抗滑安全系数亦可提高到1.2倍。

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Analysis on Optimized Design of Anchorage Block

ZHOU Lixiang1, ZHANG Min2

(1.Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou510635,China; 2.Guangzhou Water Planning Investigation Design Institute, Guangzhou510640，China)

Abstract:At bottom of the conventional anchorage block with flat base, the tenon against sliding is applied. The passive earth pressure by the tenon is fully utilized to improve the stability of the anchorage block against sliding and reduce its cost as well. The simplified rigidity limit equilibrium theory is applied to compare and analyze the safety factors of the conventional anchorage block with flat base and the anchorage block with tenon. The anchorage block of one water diversion project, for example, is applied to compare and analyze its safety factors so as to provide the similar structure design with reference.

Key words:anchorage block; tenon; stability against sliding; passive earth pressure

中图分类号：TV223

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.013

作者简介：周理想(1984- ),男,江西省瑞昌市人，工程师，主要从事水利工程规划及设计工作.

收稿日期：2015-10-11

文章编号：1006—2610(2016)01—0051—03