水平弯管镇墩稳定分析

胡连超　蒋爱辞　康迎宾

(1.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州　450004；2.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州　450003；3.华北水利水电大学，河南 郑州　450011)



水平弯管镇墩稳定分析

胡连超1蒋爱辞2康迎宾3

(1.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州450004；2.黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州450003；3.华北水利水电大学，河南 郑州450011)

【摘要】本文依据相关规范，对水平弯管镇墩所受荷载进行总结，并以南水北调中线配套工程为例，对水平转角不同的四个典型弯管镇墩进行安全分析。分析认为在不同水平转角下，镇墩在抗滑稳定、地基承载能力、抗倾稳定性以及防裂等几方面均能满足规范要求。

【关键词】镇墩； 水平弯管； 安全分析； 要求

镇墩主要布置在水电站、抽水站出水管及供水工程压力管的转角和伸缩节安装处，是用来保证各管段安全的建筑物。一般由混凝土浇筑而成，靠自重固定钢管，承受因水管改变方向而产生的轴向不平衡力，使水管在此处不产生任何方向的位移进而维持稳定[1]。镇墩分平面转角、垂直转角、三通等几种型式。

镇墩作为供排水工程中的重要建筑物，其安全性直接关系到水电站、抽水站功能、效益的实现；另外镇墩内压力钢管的布置形式复杂、受力条件变化较大。因此，在镇墩设计中，必须满足工程安全需要。不仅要对其抗滑、抗倾、地基承载力进行计算校核，同时也要对它的结构合理性进行论证。

1作用在镇墩上的力

水平弯管镇墩承受的载荷主要有压力管道传递来的荷载、镇墩自身重力、垂直覆土压力、被动土压力、主动土压力、地基的摩阻力，有地下水的地方还要考虑浮力以及地基反力。

1.1压力管道传递来的荷载

水平弯管传递给镇墩的荷载主要包括：水平方向的弯管外推力及竖直方向荷载。对于水平弯管，外推力主要是水流离心力、内水压力、水流与管壁摩擦力、因温度变化而产生的应力等多种荷载沿管轴方向的合力[2]；竖直方向荷载是由水平弯管的法向力组成，主要包括镇墩中钢管的自重及钢管中的水重。

1.1.1弯管外推力

水平外推力Fpw是由水流离心力、内水压力、水流与管壁摩擦力、因温度变化而产生的应力等几种轴向力综合而成的。

a.弯管处水流离心力R1。

(1)

式中D0——管道内径；

V——管中水流的速度；

g——重力加速度；

γw——水的容重。

b.弯管处内水压力产生的轴向力P。

(2)

式中D0——管道内径；

P0——压力管道最大内水压力。

c.水流与管壁摩擦产生的拖曳力R2。

(3)

式中γw——水的容重；

D0——管道内径；

hf——管道沿程水头损失。

d.温度变化时管道产生的轴向力。由于地下埋管每隔3～5m要进行分节,管节之间设有柔性接头,功能相当于伸缩节,允许管道有足够伸缩变形；另外钢管埋在地下,受温度影响小，温度变化不大[3]。故因温度改变而导致管道产生的轴向力可忽略不计。

综上所述，水平外推力Fpw公式：

(4)

式中α——水平弯管的转弯角度。

1.1.2竖直方向荷载

对于水平弯管，作用在垂直管轴线方向的力[4]主要有以下两个。

a.钢管自重G1K。

(5)

(6)

式中qg——单位管长钢管的自重；

L——镇墩长度；

D0——管道内径；

t——管道壁厚；

γg——钢管容重。

b.管中水重G2K。

(7)

(8)

式中qs——单位管长的水重；

γw——水的容重。

1.2镇墩自重Gzd

(9)

式中B——镇墩宽度；

H——镇墩高度；

L——镇墩长度；

D0——管道内径；

t——管道壁厚；

γh——混凝土的容重。

1.3垂直土压力Fsv

(10)

式中B——镇墩宽度；

h1——镇墩的墩顶距地面埋深高度；

L——镇墩长度；

γs——土的容重。

1.4被动土压力Epk

(11)

式中φ——土壤内摩擦角；

h1——镇墩墩顶距地面的埋深高度；

h2——镇墩墩底距地面的埋深高度；

γs——土的容重；

L——镇墩长度。

1.5主动土压力Eep

(12)

式中φ——土壤内摩擦角；

h1——镇墩墩顶距地面的埋深高度；

h2——镇墩墩底距地面的埋深高度；

γs——土的容重；

L——镇墩长度。

1.6滑动摩擦力Fsk

(13)

式中f——镇墩与底面土壤的摩擦系数；

2水平镇墩安全分析

镇墩稳定分析主要包括抗滑稳定校核、地基承载能力校核、抗倾稳定性分析以及防裂分析四部分。参考相关规范，安全稳定分析方法及要求如下。

a.抗滑稳定。

(14)

式中K——抗滑稳定安全系数；

Fsk——镇墩与底面土壤的滑动摩擦力；

T——土压力造成的镇墩阻力，T=Epk-Eep；

Fpw——水平外推力。

镇墩在承受各种力的情况下，计算所得的抗滑稳定安全系数不小于允许抗滑稳定安全系数，即K≥[Kc]。

b.地基承载力。

(15)

A——镇墩底面积；

W——镇墩底面的抗弯截面模量。

镇墩基底应力最大值不得超过地基允许承载力，即Pmax≤[P]；基底不应出现拉应力，即最小值Pmin≥0；基底应力不均匀系数不大于规范允许值，Pmax/Pmin≤[η]。

c.抗倾覆稳定。

(16)

式中ζ——抗倾系数；

MD——镇墩上的抗倾力矩总和；

MQ——倾覆力矩总和。

镇墩上抗倾系数不小于允许抗倾系数值，即ζ≥[ζ]。

d.防裂分析。水平镇墩转弯处包裹压力钢管的上部、左右两侧的混凝土，抗拉能力极低，因此在压力钢管内水压力发生微小变化，或者压力钢管发生微小膨胀时都将会出现裂缝[5]。

在镇墩薄弱断面应有足够厚度的混凝土或者在此处适当配置一些钢筋，防止镇墩表面被拉裂。

3案例分析

3.1工程概况

南水北调中线配套工程焦作受水区，设计总分配水量2.69亿m3，包括5条输水线路，即25号温县输水线路、26号博爱输水线路、27号府城输水线路、28号苏蔺输水线路、28号修武输水线路。其中26号输水线路(桩号K0+000～K28+237.806),分为4个标段，即02标段、03标段、04标段、05标段。输水管道采用预应力钢筋混凝土管(简称PCCP)地下埋管，总长度为28.24km，管道内径为1400mm,设计流量为1m3/s。其中施工05标段(K22+190～K28+237.806)，该标段管线长度大、管线复杂、转角多，因此在管线沿途埋设多个镇墩。镇墩多为水平弯管镇墩，材料为C25钢筋混凝土，内包裹有与PCCP管内径相同的压力钢管。在镇墩外侧槽内灌入C15混凝土，镇墩底部布置有100mm厚的C10混凝土垫层。另外在镇墩内侧和顶部填上土壤，并加以振捣压实。镇墩平面、断面示意图如图1、图2所示。

图1　镇墩平面示意图

图2　镇墩断面示意图

3.2镇墩设计参数

该次安全分析，按地下埋管水平转角的不同，参照工程施工图，分0°～15°，15°～45°,45°～75°,75°～90°四个区间，并且在每个区间分别取1个典型镇墩进行安全分析，所选镇墩编号如下：TH50、TH52、TH58、TH63 。设计参数如表1所列。

表1　镇墩设计参数值

查阅相关设计资料[6]、施工图纸，压力钢管最大内水压力P0=0.8MPa，土壤内摩擦角φ=30°，镇墩底与基础间的摩擦系数f=0.35，镇墩覆土埋深参数h1、h2数据值如表2所列。

表2　镇墩覆土埋深参数值

3.3荷载计算值

参照以上公式及镇墩各参数值，分别计算出压力管道传递来的荷载、镇墩自身重力、垂直土压力等荷载值。计算结果如表3所列。

3.4安全分析

依据安全分析各公式、镇墩设计参数值及荷载计算值，对水平弯管镇墩进行安全分析，计算结果如表4所列。

表3　镇墩上荷载计算值

表4　镇墩安全分析计算结果

4结论

参考四种不同的水平转角下安全分析的数值并结合工程实际情况，分析得：ⓐ镇墩抗滑稳定系数均大于允许值，其中[Kc]取值为1.5，因此抗滑稳定满足规范要求；ⓑ镇墩基底应力最大值均小于地基允许承载力[P]，基底应力最小值Pmin均大于零，基底应力不均匀系数均小于允许值[η]，其中[P]取值为160kN/m2、[η]取值为1.50，因此镇墩基底应力也能满足要求；ⓒ镇墩抗倾系数均大于允许抗倾系数值[ζ]，其中[ζ]取值为2，因此能满足镇墩抗倾要求；ⓓ在镇墩施工设计过程中，在镇墩上下、内外侧分别配置了直径为14mm的HPB235级构造钢筋，另外在镇墩抗力侧也有一定厚度的混凝土，因此完全能够满足镇墩抗裂要求。

结论：水平弯管镇墩在不同转角情况下，其安全稳定均能满足规范要求；实际现场施工过程中，不同转角的水平弯管镇墩的安全稳定性较好。

参考文献

[1]GB 50265—2010泵站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2010.

[2]SL 379—2007.水工挡土墙设计规范[S].北京：中国水利水电出版社,2007.

[3]DL 5077—97水工建筑物荷载设计规范[S].北京：中国电力出版社，1997.

[4]魏秉华.给水排水设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[5]扬州水利学校.抽水机与抽水站[M].北京：水利出版社，1982.

[6]左东启.水工建筑物[M].南京:河海大学出版社，1995.

Analysis on stability of side bend anchorage block

HU Lianchao1,JIANG Aici2,KANG Yingbin3

(1.Chinese Construction Seventh Engineering Division Co.,Ltd.,Zhengzhou 450004,China; 2.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China; 3.North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450011,China)

Abstract：In the paper,load on side bend anchorage block is summarized.Midline supporting project of south-to-north water conversion is adopted as an example.The safety of four typical side bend anchorage blocks with different horizontal angles is analyzed.It is believed by analysis that the anchorage block can meet requirements in the specification in the aspects of anti-sliding stability,foundation bearing capacity,anti-inclining stability,crack resistance,etc.under different horizontal angles.

Key words：anchorage block; side bend; safety analysis; requirement

DOI:10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.06.009

中图分类号：TV68

文献标志码：A

文章编号：1005-4774(2016)06-0032-05