山区长距离输水管线镇墩结构设计
2017-11-22景孟旗
张 娜，王 力，景孟旗
(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)
山区长距离输水管线镇墩结构设计
张 娜，王 力，景孟旗
(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)
在山区长距离输水管线设计中，往往存在镇墩数量大、种类多的问题，给设计工作带来诸多困难。本文在对镇墩所受荷载进行分析后，对镇墩型式进行总结归纳，在很大程度上减少了镇墩设计计算工作量，并以某水利枢纽工程灌区输水管道为例，对几种不同类型的镇墩进行计算分析，为同类工程提供借鉴。
镇墩；型式；优化
输水管线上的镇墩主要布置在转角和地势起伏处，是用来保证输水管道安全运行的建筑物。一般由钢筋混凝土浇筑而成，靠自重固定管道，以抵抗因水流改变方向而产生的轴向不平衡力，使管道在此处不产生任何方向的位移进而维持稳定。镇墩分水平转角、垂直转角等几种型式[1]。
镇墩作为输水管线中的重要建筑物，其安全性直接关系到灌区功能、效益的实现。另外，镇墩内管道的布置形式复杂、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，也要对它的结构合理性进行论证[2-3]。
1 工程概况
某水利枢纽中一条供水管线长61 km，管道设计流量Q=0.776 m3/s，管材为DN 900球墨铸铁管，管道沿线设计工作水头较大，最大水头230 m。
在敷设管道时，为防止管道内水压力通过弯头、三通、堵头及岔管等处产生拉力，以致接头产生松动脱节现象，应根据管内压力大小、土壤条件好坏，考虑是否须要设置镇墩。根据地形、地质资料及管线走向共确定1038个镇墩。由于镇墩数量庞大、种类繁多、设计内水压力大、地质条件多变等诸多因素，造成镇墩设计中计算量非常大。
2 镇墩分类统计
在镇墩分类过程中，首先借助AutoCAD软件，提取空间坐标系下地形图里面的镇墩中心点坐标，并计算管线空间转角。镇墩一般分为水平向镇墩，垂直向镇墩两类。其中垂直向镇墩又包括垂直上弯镇墩与垂直下弯镇墩两种。按照水平及竖直转角的相对大小，进行水平和竖直转角的第一次分类；根据镇墩前后管线竖向转角的相对关系，进行上凸和下凹两类镇墩的第二次分类；另外，对于大坡度管道穿镇墩时，根据结构需要，设置特殊镇墩。
3 镇墩分类计算
本着节约工程量和简化计算模型的原则，对镇墩的设计内水压力和转角进行了进一步分类计算。
3.1 水平镇墩
由于多山地区外界环境复杂多变，镇墩多为空间转角，即便镇墩型式归为水平镇墩，如图1所示，但是在竖直方向上，仍有较小的转角，因此计算时，应注意竖向转角对镇墩高度方向的要求。且竖向转角为上凸时，对镇墩的抗滑稳定不利。结合本工程实例，本着节约工程量及简化计算量的原则进行了镇墩结构计算，对计算结果进行分析，计算结果见表1。
图1 水平镇墩平面图
编号L1(L)/mL2/mB/mH/mα/(°)H0/mDN/mFz/kNR/kNfKσminσmaxK0A120-232420030009269599405136262136423A230-2335200700096035232005130394205122A32533253035050009770828690513413367822A42524252850030009642624200513312362624A5252425455005000910565403305131202102915A633292545650500091348951270513219197519
水平镇墩计算时，镇墩平面为矩形时，当水平拐角增大时，宽度也会对应增加，如表2，验算水平转角α=35°时，矩形镇墩和多边形镇墩的选择，当B取2.5 m时，A3-1镇墩高度加大到6 m，地基应力达到670 kPa。为降低基底应力需加大底面积，当L增大时，Bmin相应增加，开挖量增加，且混凝土量也大于五边形镇墩。因此，当水平转角α<35°时，选择平面矩形镇墩；当水平转角α>35°时，选择平面五边形镇墩。
表2 水平镇墩对比计算
3.2 上凸镇墩
根据地形变化，上凸镇墩如图2所示分为两种：①镇墩前后管线夹角均不为0，即Ψx≠0，Ψs≠0；②镇墩前后管线夹角其一为0，即Ψx=0或Ψs=0；以B1型镇墩为例，当管线走向如②时，Ψs=12°，Ψx=8°(Ψs+Ψx=20°)此时抗滑稳定安全系数K为6.38；当管线走向如①时，Ψs=0°，Ψx=20°，此时抗滑稳定安全系数K为1.32。当镇墩转角为情况②时，作为控制计算。计算结果见表3。
图2 凸镇墩剖面图
编号L/mB/mH/mΨs/(°)Ψx/(°)H0/mDN/mFz/kNR/kNfKσminσmaxK0HminB11521250020040009609230051321075591622B222213000200700091130403051401166012123B34321500050070009629823860513231116192345B1⁃11521251208040009590460564502617720
另外，由表3，上凸镇墩因竖向转角问题，对高度有相应要求，根据镇墩长度及转角计算出Hmin，镇墩实际高度均大于Hmin。
3.3 下凹镇墩
根据地形变化，下凹镇墩如图3所示分为两种：①镇墩前后管线夹角均不为0，即Ψx≠0，Ψs≠0；②镇墩前后管线夹角其一为0，即Ψx=0或Ψs=0。根据上凸镇墩的计算分析，同样，当下凹镇墩转角为情况②时，作为控制计算。计算结果见表4。
图3 下凹镇墩剖面图
编号L/mB/mH/mΨs/(°)Ψx/(°)H0/mDN/mFz/kNR/kNfKσminσmaxK0HminC11222200020011000948546330538233730384621C2212528004001100091039324560521296238513228
下凹镇墩较水平及上凸镇墩是偏安全镇墩，镇墩稳定计算时，不仅要满足计算要求，还要满足结构及地基应力要求，因此抗滑稳定安全系数的计算值要偏大。
3.4 特殊镇墩
如图4所示，对于大坡度管道穿镇墩时，根据结构需要，对镇墩的高度要求较大，此时为了满足地基承载力，又需要加大镇墩底面积，浪费较多的工程量。为此设置特殊镇墩，满足此类镇墩需求。计算结果见表5。
图4 特殊镇墩剖面图
编号m1m2B/mL/mH1/mΨs/(°)Ψx/(°)H0/mDN/mFz/kNR/kNfKσminσmaxK0D042720202020022010000950811905211212203043
3.5 计算结果汇总
根据表6计算结果，镇墩抗滑稳定(K>1.3)、地基承载力(σmin>0 kPa；σmax<400 kPa)、抗倾系数(K0>1.5)均满足计算要求。
通过计算，将1038个镇墩进行合理分类，共计12种，既大大简化了计算工作量，又节约了工程量。因此，该计算方法，对于山区长距离输水管线镇墩的计算将有实际的借鉴意义。
表6 计算结果汇总表
4 结 论
本文在对镇墩进行理论分析的基础上，结合工程实例，对镇墩结构进行了计算，在计算过程中不断优化计算模型，简化了计算工作量，且经实际检验，所设计镇墩均能保证管线安全运行。
[1] 李惠英，田文铎，阎海新. 倒虹吸管——取水输水建筑物丛书[M]. 北京: 中国水利水电出版社，2009.
[2] 胡连超, 蒋爱辞, 康迎宾. 水平弯管镇墩稳定分析[J]. 水利建设与管理, 2016, 36(6):32-36.
[3] 谭永华, 许长红, 昌彩霞. 关于镇墩稳定计算的探讨[J]. 湖南水利水电, 2011(3):29-30.
张 娜(1990-)，女，河北衡水人，助理工程师，主要从事水工设计工作。E-mail:1165968274@qq.com。
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