长距离输水柔性接口管道空间转弯支墩的设计及应用

王明辉

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410014）

在长距离输水管线中，管道接口常常为柔性接口。在管道转弯处， 由于内水压力的作用会产生较大的不平衡推力，为了保证管道在转弯处的稳定，通常通过设置支墩来确保管道的稳定。 谭永华等［1-4］通过研究，提出了在同一个平面内的镇墩计算方法， 解决了管道平面转弯的问题；严文祥［5］通过研究，分析了空间弯管镇墩的计算方法， 但是其假定了管道转弯时某个方向处于水平位置，且未考虑主动土压力的影响。镇墩计算方法虽在不少输水管道中进行了应用， 但目前有关支墩的计算仅针对一些特定的平面内［6］，而在空间转弯情况的计算却很少。因此，本文将针对管道的空间转弯情况进行分析，以便为类似工程提供参考依据。

1 理论分析

在柔性接口给水管道支墩设计时， 通常需要考虑管道转弯处不平衡水推力，管道及水的自重，支墩的自重，支墩前后土压力的作用。支墩计算的关键在于转弯处不平衡水推力的分解， 以管道空间转弯为例，如图1、图2，管道竖向转弯角度分别为α1、α2（管线与水平面的夹角），管道平面转角为α。管道截面外推力标准值P如式（1）［6］。

图1 管道竖向转弯

图2 管道平面转弯

式中 P为管道截面外推力标准值（N/mm2），dn为柔性管道接口设计内径（mm），Fwd，k为管道设计内水压力（N）。

在管道空间转弯中，如图3，可以将管道外推力分解为竖直力Fz1，Fz2和水平力Fx1，Fx2，单位均为N。 如式（2）。

图3 管道空间转弯不平衡推力分解

2 计算实例

2.1 工程实例

某工程原水输水管线采用DN800球磨铸铁管道输水，采用柔性接口连接，管道工作压力0.5MPa，设计压力0.8MPa。 管道管顶以上覆土厚度1.0m，土体等效内摩擦角为28°， 混凝土支墩与地基土摩擦系数f=0.3，地基承载力100kPa。 管道在某处存在空间转弯，竖向转弯向上弯曲， 转弯角度α1、α2分别为11.25°，11.25°，平面转弯角度为157.5°，支墩顶部以上覆土厚度0.5m，拟定混凝土镇墩尺寸8m×2m×2m（长×宽×高），支墩平面布置如图4，支墩纵剖面如图5。

图4 管道支墩平面布置

图5 管道支墩纵剖面

2.2 稳定计算

（1）管道截面外推力标准值：P=401.9kN。

（2）空间弯管产生不平衡水推力的合力竖直力：Fz=401.9kN，水平力Fx=401.9kN。

（3）支墩以上覆土重量计算：G1=128.0kN。

（4）支墩段管道及水重量计算：G2=40.2kN。

（5）支墩重量计算：G3=643.6kN。

（6）支墩前端主动土压力计算：Fep，k=144.0kN。

（7）支墩背部被动土压力计算：Fpk=1196.6kN。

根据以上计算结果，支墩水平抗滑稳定性，竖直向上稳定性及地基承载力均能满足要求， 所选取的支墩尺寸是合适的。

3 结语

支墩是柔性接口给水管道重要的水工建筑物，是维持管道稳定的关键。 支墩不仅需要满足水平抗滑稳定和垂直竖向稳定， 还需要满足地基承载力的要求。随着引调水工程的增多，管道空间转弯情况也越来越多，必须重视管道空间转弯的结构计算。目前《柔性接口给水管道支墩》图集仅明确了支墩的平面转弯计算， 建议将来修编规范时增加支墩空间转弯计算方法和内容。