柔性接口給水管道支墩論述

魏媛媛

(太原市自來水公司供水設(shè)計院，山西太原 030009)

在城市供水工程管道敷設(shè)中，異形管支墩是最重要的管道附屬構(gòu)筑物之一，它可避免由于水流通過彎頭、三通等管件時，產(chǎn)生較大拉力所造成管道連接口的松動、斷裂等嚴(yán)重后果。管道支墩的設(shè)置需根據(jù)管徑大小、管內(nèi)水壓高低、土壤耐壓力的多少，以及土體穩(wěn)定性情況等綜合考慮。在太原市城市公共供水范圍內(nèi)，市政道路上敷設(shè)給水管網(wǎng)基本采用球磨鑄鐵管，住宅小區(qū)庭院內(nèi)基本采用PE管，這兩種管材均屬柔性接口。給水管柔性接口是管網(wǎng)運(yùn)行過程中的薄弱環(huán)節(jié)，在關(guān)鍵點(diǎn)的支墩設(shè)置關(guān)系到整個城市的供水安全，因此在供水工程設(shè)計中管道支墩的配置是重中之重。

1 支墩分類

根據(jù)異形管件在管道中的布置方式，支墩分為以下幾種常用類型。

1.1 按支墩承受力的方向分類

1)水平支墩——水平支墩指抵消水平力而設(shè)置的支墩。根據(jù)管件類別分為水平彎管支墩、管道末端的堵板支墩、水平三通支墩。2)垂直彎管支墩——管線由水平方向轉(zhuǎn)入鉛垂方向的彎頭支墩。根據(jù)彎頭向上向下轉(zhuǎn)彎方向的不同，分為垂直向上彎管支墩、垂直向下彎管支墩。3)空間兩相扭曲支墩——管道中線既水平轉(zhuǎn)向同時垂直轉(zhuǎn)向的異型管支墩。

1.2 按支墩構(gòu)筑形式分類

1)全包支墩——異形管四周用混凝土澆筑成一整體。2)側(cè)向支墩——在異形管傳導(dǎo)推力的一側(cè)，并按支墩傳力角的要求設(shè)置側(cè)向支墩。側(cè)向支墩體積、占地面積較大。3)帶樁支墩——借助摩擦樁或承壓樁的形式用以縮小支墩體積尺寸，在向上、向下彎管支墩中，選用帶樁支墩較多。4)接口加固的異形管件支墩——利用金屬卡箍將異形管的承插口間進(jìn)行加固，以減少支墩尺寸，同時也可采用卡箍、鋼筋和混凝土整體澆筑支墩，以縮小支墩尺寸。

2 支墩受力分析

在歷年接觸的工程實例中，常見的多為水平異形管件支墩及垂直彎管支墩，因此本次主要分析給水管在正常埋設(shè)情況下，一般性土壤地區(qū)，水平異形管件支墩及垂直彎管支墩的計算。對于設(shè)置在淤泥、濕陷性黃土、多年凍土、膨脹土地區(qū)的支墩需特殊計算，軟土地區(qū)支墩的沉降問題應(yīng)特殊考慮。

其中，dn為管道接口設(shè)計內(nèi)徑，mm，dn=αDD，αD為管道接口設(shè)計內(nèi)徑與管內(nèi)徑的轉(zhuǎn)換系數(shù)，D為管內(nèi)徑，mm;Fwd，k為管道設(shè)計內(nèi)水壓力，MPa;P為管道截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

2)水平支墩承受截面外推力P對支墩產(chǎn)生的水壓合力標(biāo)準(zhǔn)值 Fwp，k。彎管處:Fwp，k=2Psinα/2。

其中，α為彎管的角度。

三通及管堵處:Fwp，k=P。

3)垂直向支墩承受水壓合力產(chǎn)生的垂直力N及水平力Fh標(biāo)準(zhǔn)值。

垂直向上彎管:垂直向下分力:N=Psinα。

水平分力:Fh=P(1－cosα)。

垂直向下彎管:垂直向上分力:N=Psinα。

水平分力:Fh=P(1－cosα)。

4)支墩承受土壓力計算。

a.支墩迎推土側(cè)的主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fep，k。

地下水低于支墩底面時:Fep，k=1/3

地下水高于支墩頂面時:Fep，k=1/3γ')ZW(Z2－Z1)］L。

b.支墩抗推力側(cè)的被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值Fpk。

地下水低于支墩底面時:Fpk=tg2(45°+φd/2)

地下水高于支墩頂面時:Fpk=tg2(45°+φd/2+(γs1－γs')ZW(Z2－Z1)］L。

其中，F(xiàn)ep，k為支墩迎推力側(cè)的主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值;Fpk為支墩抗推力側(cè)的被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值;γs1為地下水位以上的原狀土重度;γs3為主動土壓力計算采用的回填土重度;γs'為地下水位以下土的有效重度;Z1為支墩頂在設(shè)計地面以下的深度;Z2為支墩底在設(shè)計地面以下的深度;ZW為地下水位在設(shè)計地面以下的深度;φd為土壤等效內(nèi)摩擦角。

5)支墩底部滑動平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值Ffk計算。

支墩的重量G=γCVC。

支墩頂部覆土的重量W=γs2VS。

支墩及其頂部覆土所受浮托力標(biāo)準(zhǔn)值Ffw，k=γwA(Z2－ZW)。

水平向支墩滑動平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值Ffk=(G+W－Ffw，k)f。

垂直向上彎管支墩滑動平面上摩擦力標(biāo)注值Ffk=(G+W+N － Ffw，k)f。

垂直向下彎管支墩滑動平面上摩擦力標(biāo)注值Ffk=(G+WN － Ffw，k)f。

其中，N為支墩承受的水壓合力的垂直向上/下分力;γC為混凝土重度;γs2為支墩、管件基礎(chǔ)頂部覆土重度;γw為地下水重度;VC為支墩混凝土體積;VS為支墩頂部覆土體積;A為支墩底面積;Ffw，k為支墩及其頂部覆土所受浮托力標(biāo)準(zhǔn)值;Ffk為支墩滑動平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值;G為支墩混凝土自重;W為支墩頂部覆土重量;f為土對混凝土支墩底部摩擦系數(shù)。

此外，還需進(jìn)行支墩抗推力穩(wěn)定驗算、地基承載力驗算，包括水平向、垂直向上、垂直向下彎管支墩抗推力穩(wěn)定驗算，以及垂直向下彎管支墩的垂直向穩(wěn)定驗算。

3 支墩尺寸確定

支墩的尺寸是隨管徑、管道彎管的角度、管道的設(shè)計內(nèi)水壓力、覆土深度、土壤等效內(nèi)摩擦角、地基承載力特征值等參數(shù)的變化而變化。水平支墩通常以被動土壓力來計算土壤反力，以這種反力來平衡異型管傳給支墩的外推力，并通過這樣的平衡試算，確定支墩的高度和長度。對于彎管支墩的計算長度不是按弧形長度，而是按弧形投影面的支線長度。若支墩后的土層被破壞，是被動土壓力消失，為了保持管道還能正常運(yùn)行，應(yīng)復(fù)核支墩重量，加上管重、管內(nèi)介質(zhì)重、管上覆土重共同對土壤的摩擦力，以及管道接口的阻力或許用拉力及剪切力值，是否能承受住管道在工作壓力下所形成的外推力。一般計算式也可以用支墩重量與地基之間的摩擦力來計算。

垂直向上彎管支墩一般按覆土條件計算，支墩高度應(yīng)符合施工工作坑的深度要求。垂直向下彎管支墩也是按覆土狀態(tài)來計算，支墩尺寸可通過試算方法來確定。支墩頂面高于管頂?shù)木嚯x為h，當(dāng)支墩高度H=h時，該支墩砌筑在管頂上;當(dāng)h=0.5H時，為全包支墩;當(dāng)h≤0.1 m時，應(yīng)采用U形鋼箍將給水管固定在混凝土支墩中。

4 幾點(diǎn)說明

1)混凝土強(qiáng)度等級一般采用C15，當(dāng)處于腐蝕性環(huán)境或?qū)δ途眯杂刑厥庖髸r，按照GB 50010-2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范等規(guī)范要求自行適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等級。當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后方可做管道壓力試驗。2)鋼筋采用HPB235級鋼筋。3)水平支墩抗推力側(cè)必須是原狀土，并保證支墩和土體緊密接觸，否則應(yīng)以C15素混凝土填實。垂直向下彎管支墩必須在管道壓力試驗前回填土并分層夯實，且回填土應(yīng)滿足覆土深度要求。4)垂直向上彎管支墩，彎管被支墩包入部分的中心角不得小于135°。5)有地下水時，施工降水后，應(yīng)在支墩底部敷設(shè)100 mm厚碎石層。