某引水式电站镇墩结构分析计算

付月丹 张爱玲 付涛

【摘要】中小型引水式电站通常采用有压长引水压力管道进行输水，并用镇墩来支撑。镇墩是引水式电站重要的水工建筑物，运行中镇墩一旦出问题，将造成非常严重的后果。镇墩的设计不仅要完成抗滑，抗倾覆、地基应力等的验算，而且还要对其结构的合理性进行必要的论证。本文根据某电站输水管线镇墩设计要求，对镇墩进行分析计算及结构优化，通过编程迭代拟定最小镇墩。

【关键词】镇墩；水电站；抗滑；稳定

在水利水电工程中，针对引水式水电站，长有压明钢管布置输送路线情况下，需设计镇墩对其支撑。目前常用的规范设计是根据《小型水力发电站设计规范》、《水电站建筑物》等参考书，以经验系数约束墩体体型，满足安全稳定；也有些采用在常规平底镇墩上加设抗滑齿坎，增加镇墩的抗滑稳定性。本文采用迭代优化，对镇墩体型进行结构设计，并验证其安全稳定性问题。

1、镇墩设计要求

输水管线中，镇墩的主要作用是利用自身的重力，承受由钢管各个方向传来的荷载，将管道固定在地基上，约束管道在镇墩处的转角和位移变化。规范中规定，管道转弯处和管道直线长度大于150m，均应设置镇墩用以固定和支撑管道。镇墩在设计过程中，除了体型结构满足要求，承受荷载以外，还需满足：

1）抗滑稳定性要求：镇墩在承受如内水压力、钢管自重、水重、稳定荷载等荷载组合情况下，其抗滑安全系数小于允许值，即镇墩不发生滑动现象。

2）地基承载力要求：镇墩地基设计承载力需小于地基允许承载力。

3）抗倾覆稳定要求：由于镇墩有一定高度，若高度过高，则会出现倾覆现象，因此需进行抗倾覆稳定计算。

4）不发生扭转和裂缝限制要求：镇墩在整个运行期间，不得出现扭转和温度、荷载突变等裂缝问题，提前采取相应措施避免破坏。

2、镇墩设计计算

截取引水式电站一段压力钢管，对2号镇墩进行设计，其中涉及参数包括：

管内径D0=1.600m；管壁厚t=0.01m；水重度γw=9.80kN/m；钢材重度γs=76.93kN/m3；套管外径D1=1.66m；套管内径D2=1.6m；镇墩容重为21.56KN/m3；引用流量Q=8.4m3/s。

最初拟定镇墩时，镇墩尺寸应能够将钢管的转弯段完全包住，管道外包混凝土厚度不宜小于管径的0.8 倍，管道底距地面不宜小于0.6m。因此，初拟镇墩尺寸：底面积S =29.4㎡；镇墩高度为6.9m；保护层取1.64m。

偏心距计算数据在底宽三分线内即为安全范围内，此工程要求镇墩在基岩上不出现拉应力即满足地基应力要求。

3、设计结果与迭代优化结果

通过拟定镇墩，其抗滑稳定、抗倾覆稳定及地基应力情况，通过对工况，温升，温降的计算得出的结果可见，初步拟定的镇墩能够满足抗滑、抗倾覆和地基承载力的要求。

通过计算机反复迭代，满足安全稳定的情况下，优化镇墩体型，抗滑、抗倾覆及地基应力均在允许范围之内。

4、工程措施及总结

有压引水式电站中，镇墩设计除了满足基本要求和自重外，还需要对其抗滑、抗倾覆和地基承载力问题进行校核分析，并针对墩内管道的变形及墩体抗扭、防裂缝问题，提出必要的工程措施。总结如下：

1）在镇墩重量一定的情況下，要尽可能的减小体型，可加大沿轴线方向的长度，增加抗滑稳定系数；在宽度上满足外包条件的同时，适当降低镇墩高度，增加其抗倾覆能力。

2）为了适应钢管径向变形，在镇墩包裹钢管处，安设刚性环或者止推环，增加管道的刚度，防止不均匀形变。

3）为了提高镇墩的抗扭性能及防止其产生裂缝，可在镇墩内部进行配筋，或布置插筋，增强镇墩结构的抗扭性和稳定性。

4）较高镇墩必须校核抗倾覆问题，提高镇墩自身稳定。如遇钢管为空间转弯，应加大镇墩宽度，并保证基地不出现拉应力情况。

参考文献：

[1]小型水力发电站设计规范 （GB50071-2002）.

[2]水电站压力钢管设计规范 （SL281-2003）.

[3]王兴云.高水头水电站压力钢管镇墩设计若干技术问题探讨.水利规划与设计.20111年第2期.

[4]怡纯洁.供水压力管道镇墩结构设计.江淮水利科技.2014年第4期.