鎮墩結構設計探討

□肖 璐(烏魯木齊市達坂城區水務監察大隊)

鎮墩結構設計探討

□肖 璐(烏魯木齊市達坂城區水務監察大隊)

鎮墩在工程設計上應用比較廣泛，對管道或水工建筑物起到穩定及保護的作用，通常在地形的突變處，管道的轉彎處和分叉處設混凝土鎮墩，教科書及規范僅對穩定和地基應力做了相應的規范和要求，僅適用于一般的鎮墩設計，對于斜管和水平管段的設計理論不夠全面，文章對鎮墩設計及結構計算進行詳細說明，通過整理公式的計算，旨在對鎮墩設計起到推動作用。

鎮墩;管道力;結構設計

0 引言

鎮墩屬重力式結構，利用自重維持穩定。結構設計的內容：驗算在最不利組合情況下抗滑穩定和抗傾穩定，驗算鎮墩各危險斷面的應力、地基應力及穩定。

1 作用于鎮墩上的荷載及計算條件

作用于鎮墩上的荷載分為2大類：一類是直接作用于鎮墩的力；另一類是通過管身傳給鎮墩的力。水流給管壁的摩擦力（又稱為拖曳力）和溫度變化的力影響，在工程設計中忽略不計。

1.1 直接作用于鎮墩上的荷載

有：由水壓力產生沿管軸方向的軸向力；彎管水流離心力；鎮墩自重；側向土壓力。

1.1.1 由內水壓力產生的軸向力

在管道轉彎處，內水壓力將產生沿管軸方向的軸向力，直接作用域鎮墩上。

式中：γ—水容重 γ=10 kN/m3；D—管道內徑（m）；，H1，H'1—彎管段起始段和末端段中心的測壓管水頭，m。

1.1.2 彎管段水流離心力

水流在彎管段流動產生離心力，通過管壁傳給鎮墩。作用線與管段中心角的角平分線重合。

式中：m—彎管段水體的質量（m=w/g），a—離心加速度（a=V2/R），W—彎矩段水體重量，V—管內流速（m/s），g—重力加速度（m/s2），D—管內徑（m），L’—彎中心線弧長

離心力的合力分解為兩個軸向力：

1.1.3 彎管水體重

式中：b—彎矩段起點，終點至支管管端長度（m），其余符號同前。

1.1.4 鎮墩自重

可根據鎮墩尺寸計算。鎮墩在水位以下用浮容重。

1.1.5 作用于鎮墩的水平土壓力

鎮墩四周都有填土，為安全，一般只考慮鎮墩上游側面的主動土壓力。按填土與鎮墩頂面平計算。

式中：ka—主動土壓力系數，，γs—土容重（kN/m3），B—鎮墩寬度（m），D1—管的外徑（m），h2—鎮墩底至頂的高度（m），h1—斜管段管端斷面中心線至填土頂面高度（m）。

1.2 通過管身傳給鎮墩的荷載

有：管道自重，管內水重，水面以下管道的上浮力，管道上的土壓力。

1.2.1 管身自重

管端分為斜管和水平管，根據尺寸自重可求得。將自重分解為平行于管軸線和垂直于管軸線的2個分力。前者是下滑力，后者起阻滑作用。

管身自重：G1L1=πDcpδγhL1（kN） （7）

分解為：軸向分力：A3=G1L1sinα;垂直分力：N1=G1L1cosα

式中：L1—斜管長度（m）,G1—單位長斜管自重（kN/m）,Dcp平均直徑（m）,，γh—管材容重（kN/m3）,其余符號同前。

1.2.2 管內水重

斜管與水平管段管內水重可分解為平行軸向與垂直軸線的2個分力，由于軸向分力已包括在前述的水壓力產生的軸向分水A1、A1’之內，故此處僅考慮垂直管線的分力。

1.2.2.1 斜管段：

管內水重：G2L1=πR20γL1（8）

垂直分力：N2=G2L1cosα （9）

式中：R0—管內半徑（m）,G2—單位長斜管水重（kN）。

1.2.2.2 水平管段

管內水重：G2L2=πR20γL1（10）

垂直分力：N'2=G2L2（11）

1.2.3 管道的上浮力

該工程省略不計。在大河中的工程不應省略。

1.2.4 管道填土壓力

管道填土壓力可分為溝埋式土壓力和上埋式2種土壓力計算。一般填土較淺，可按上埋式土壓力計算。除計算GB外，還需考慮管頂水平線至管腹間填土壓力GN。土壓力分解為軸線方向和垂直方向分力。

1.2.4.1 斜管段：

上埋式填土壓力：GB=KγSHD1（12）

式中：H—管頂以上填土高度（m）,γS—填土容重（kN/m3）, D1—管外徑（m）,K—系數。

剛性管按(表1)選用。柔性管在任何情況下均取K=1,按填土尺寸計。

填土壓力：（GB+Gn）L1（kN） （13）

軸向分力：A5=（GB+Gn）L1sinα （14）

垂直分力：N4=（GB+Gn）L1cosα （15）

表1 系數K值表

1.2.4.2 管身摩擦力

以上斜管段的軸向分力之和是促使管段身沿座墊表面向下滑動的力，稱下滑力。垂直于管軸線傳給坐墊力之和在管底與座墊之間產生摩擦力，阻止管身下滑。當坡度較緩時，下滑力為摩擦力平衡，管身不滑動；當坡度陡，而摩擦力不足以阻止管身下滑時，則大于摩擦力的那部分滑動力將通過斜管傳給鎮墩。

坡度的陡緩，可用臨界坡度αk來區分。當時αk=f0，斜坡上的物體開始向下滑動，f0為管底與座墊之間或管底與素土基之間的摩擦系數。管底與座墊之間的最大摩擦力按下式計算：

A6=f0(N1+N2+N4) （16）

當鎮墩與座墊之間為剛性連接時，水平管段在管底與座墊之間的摩擦力，將阻止鎮墩下滑。其最大摩擦力近似按下式計算：

A'6=f0(N'1+N'2+N'4) （17）

由臨界坡度αk確定斜管下滑的計算長度。

2 鎮墩穩定分析及應力計算

鎮墩與兩側管端連接方式不同，通過管道給鎮墩傳遞的荷載也不同。按常見的3種連接方式，分析鎮墩抗滑穩定計算。

2.1 鎮墩與管端剛性連接

當α＞αk，下滑力大于摩擦，將所有力分解為鉛直和水平2個分力，并將其分別總和，得出使鎮墩沿底板面滑動的滑動力及阻止滑動的抗滑力，其安全系數為：

要求：Kc≥1.20～1.35

式中：Σyi=ΣAisinα—斜管軸向力的鉛直向分力之和；Σxi=ΣAisinα—斜管軸向力的水平向分力之和；f—鎮墩與地基之間的摩擦系數，混凝土與濕的粘土：f=0.20～0.30，混凝土與濕的沙土：f=0.35～0.45,混凝土與混凝土：f=0.60～0.70，E—側向土壓力；G，Gw—分別為鎮墩自重和管段水重；ΣAi=A1+A2+ A3+A5-A6—斜管軸向力之和；ΣA'i=A'1+A'2+A'3+A'5-A'6—為水平管軸向力之和。

當α≤αk，下滑力小于摩擦力，不考慮斜管下滑，不計算A3，A4，A5，A6等項，ΣAi=A1+A2。

2.2 鎮墩與兩管端柔性連接

要求斜管與鎮墩都能維持自身穩定，故鎮墩穩定計算時，不考慮通過管道傳給鎮墩的力，只考慮直接作用于鎮墩上的荷載。

2.3 鎮墩上側與管端剛性連接，下側與管端柔性連接

除考慮直接作用于鎮墩上的力之外，上側斜管作用于鎮墩上的荷載考慮方法同情況，下側水平管則不考慮管道傳給鎮墩的荷載。

3 結論

文章將鎮墩設計進行詳細講解，旨在對鎮墩的規范設計起到參考作用，對鎮墩進行詳細的工程設計及計算后，在實際施工過程中，采取相應的工程保護措施保證其安全運行。

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1673-8853（2016）11-0055-02

2016-08-11

（責任編輯：劉 青）

肖 璐(1984-)，女，工程師，主要從事農田水利工作。