某供水工程鎮墩的優化設計分析

周理想,張　敏

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院,廣州　510635;2.廣州市水務規劃勘測設計研究院,廣州　510640)

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某供水工程鎮墩的優化設計分析

周理想1,張敏2

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院,廣州510635;2.廣州市水務規劃勘測設計研究院,廣州510640)

摘要：在常規平底鎮墩底部加設抗滑凸榫，充分利用凸榫提供的被動土壓力，提高壓力管道鎮墩的抗滑穩定性，減少鎮墩的工程費用。采用簡化的剛體極限平衡理論對常規平底鎮墩和凸榫鎮墩的抗滑穩定安全系數進行了對比分析。以廣州市某引水工程鎮墩為例，進行求解對比分析其抗滑安全系數，為今后此種結構設計做出參考。

關鍵詞：鎮墩；凸榫；抗滑穩定性；被動土壓力

0 前言

管道沿其軸線每隔一定距離需設置一個體積較大的混凝土墩將其固定，這個墩座稱為鎮墩，鎮墩是重要的水工建筑物，鎮墩的設計過程中最重要的2部分是：抗滑穩定性分析和抗傾覆穩定性分析。平底鎮墩由于其結構簡單便于施工在供水工程中得到廣泛應用，為提高結構的抗滑穩定性，在常規平底鎮墩底面上加設了抵抗滑動的凸榫，減小了結構的斷面尺寸，降低了單位工程造價，所以對凸榫式鎮墩的抗滑穩定性研究是頗具現實意義的工程課題。

1平底鎮墩的抗滑穩定計算

未設凸榫[1]的常規平底鎮墩，通過自重與基礎底面的摩擦力維持抗滑穩定，結構失穩時將會沿擋土墻基底面與土質地基的接觸面發生滑動。如圖1所示。

圖1　常規平底鎮墩抗滑分析模型圖

安全系數[2-4]KC的計算公式為：

(1)

式中：c0為擋土墻基底面與土質地基之間的粘聚力；A為擋土墻基底面積；φ0為擋 土墻基底面與土質地基之間的摩擦角;∑G、∑H分別為作用在鎮墩上全部豎向、水平面的荷載，kN。

2凸榫鎮墩的抗滑穩定計算

2.1土體破壞模式及分析方法

極限平衡法[5-6]是經典的力學分析方法,計算簡便,又有一套與之相應的規范,因此得到了廣泛的應用。

極限平衡法是作為穩定分析中最常用的計算方法，該法的基本前提是將滑體視為剛體，不考慮其變形，以及變形協調問題，以平面破壞模式為主，且認為滑體的破壞服從摩爾庫倫準則，由于極限平衡法對滑坡的邊界條件大大地進行了簡化,而計算中選用的各種參數往往是確定的或線性變化的,因而需要對復雜現象進行簡化處理。極限平衡法大致可分為3類:滿足整體力矩平衡法、滿足力平衡法、滿足力和力矩的平衡法[7]。當抗滑安全系數K=1時，滑體處于極限平衡狀態；當抗滑安全系數K>1時，滑體處于穩定狀態；當抗滑安全系數K<1時，滑體處于破壞狀態。各種極限平衡法所做的假設不同,對計算結果以及精度亦有顯著影響[8]。

2.2凸榫鎮墩極限平衡理論分析

在上述假設條件成立的前提下，建立一個凸榫滑動破壞模型[9]，如圖2所示。

圖2　凸榫滑動破壞模型圖

圖中：A為齒前破裂楔體；B為齒后破裂楔體(包含齒坎);T1、T2分別為齒后滑動面和齒前滑動面所受的摩擦阻力;N1、N2分別為齒后滑動面和齒前滑動面所受的下部土體的正壓力;N0為楔體B與齒坎之間的正壓力 ;G1、G2分別為楔體A和B的自重(G2包括齒坎重量 ) ;α、β為滑動面傾角 。

根據力學平衡條件列出力學平衡方程[10]：

∑Y=0

T0=N0tanδ/K

本文采取簡化方法求解，不考慮整體滑動面，且不考慮凸榫后破裂楔體自重,只對鎮墩自身進行抗滑穩定性研究。由于設置凸榫，在進行抗滑穩定性分析時應考慮凸榫前的被動土壓力。

2.3凸榫鎮墩抗滑分析

鎮墩土壓力按照位移情況可分為靜止、主動和被動3種。靜止土壓力[11]是指鎮墩不發生任何方向的位移，鎮墩前后側面上的土壓力；主動土壓力是指在鎮墩側面土體作用下向前發生移動，致使鎮墩側面填土的應力達到極限平衡狀態時，側面土體施于鎮墩上的土壓力，一般鎮墩兩側土體受力對稱，本文不予考慮；被動土壓力是指鎮墩在某種外力作用下向前發生移動而使得凸榫推擠填土，致使土體的應力達到極限平衡狀態時，基礎土體施加于凸榫面上的土壓力[12]。如圖3所示，φ為土體內摩擦角；φe為等代內摩擦角。

圖3　凸榫鎮墩抗滑分析模型圖

凸榫前受到的平均被動土壓力為：

式中：γ為土容重；q為鎮墩基底應力；ht為凸榫高度。

鎮墩凸榫能提供的被動土壓力為：

2.4被動土壓力的折減

文獻[13]認為由于土的壓縮性較管道大，在實際工程中凸榫前楔體在達到被動土壓力極值之前，管道早已開裂受損或承插接頭脫開破壞，所以在驗算鎮墩的穩定性時，通常取其70%比較合理 。因此考慮了被動土壓力[14]的折減后的鎮墩抗滑安全系數K1為：

式中：Fp1為作用在凸榫1上的被動土壓力[15],kN；Fp2為作用在凸榫2上的被動土壓力,kN；λ為被動土壓力的折減系數，取0.7。

3工程實例

廣州市某引水工程通過鋪設2條直徑為1.8 m、單管長46.5 km的原水主干管，以及共計23.8 km的原水支管，工程全線途經36個行政村、110個自然村，穿越3條鐵路、6條高速公路、2條國道、多條主要市政路、9座大型橋梁、3條主要航道及47條大小河涌，涉及征借地多達223.84 hm2。本文以該供水工程輸水管鎮墩的2種型式進行對比求解，模型1為常規平底鎮墩，模型2為凸榫鎮墩。兩鎮墩基本尺寸如表1所示：

表1　模型基本尺寸表

經求解，鎮墩上水平受力F=1 679 kN，豎向受力G=2 346 kN，計算結果如表2所示。

表2　水平豎向受力計算表

在不同土質情況下進行比較，采用簡化方法分析對比常規平底鎮墩和凸榫鎮墩的安全系數，結果見表3。

表3　不同地質的鎮墩抗滑安全系數對比表

可以看出，凸榫對抗滑安全系數的大小跟土質關系較大，當土體內摩擦角較大時，鎮墩抗滑系數能提高約1.4倍。在土體內摩角很小情況下，鎮墩抗滑系數能提高約1.2倍。

4結語

本文通過對凸榫鎮墩和常規鎮墩的土壓力受力模型進行理論分析的基礎上考慮滿足工程精度的前提下簡化計算模型，并對廣州某供水工程實例進行分析，通過2個模型的抗滑安全系數對比分析，其特點總結如下：

(1) 通過在平底鎮墩底部設置凸榫，可利用凸榫前土體產生的被動土壓力，同時滑動機理由底部摩擦變成凸榫后土體的剪切破壞，使得鎮墩的抗滑能力提高。

(2) 本文通過對模型進行簡化分析，簡化求解方法，可為相關工程設計提供參考，若實際工程中并未考慮凸榫后滑動體的作用，可以作為一種安全儲備來考慮。

(3) 通過對比分析可知，凸榫鎮墩對抗滑安全系數的大小與基礎的土質有較大的相關性，當鎮墩下土的內摩擦角較大時，鎮墩的抗滑安全系數能提高到約1.4倍。當內摩角較小情況下，鎮墩的抗滑安全系數亦可提高到1.2倍。

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Analysis on Optimized Design of Anchorage Block

ZHOU Lixiang1, ZHANG Min2

(1.Guangdong Hydropower Planning and Design Institute, Guangzhou510635,China; 2.Guangzhou Water Planning Investigation Design Institute, Guangzhou510640，China)

Abstract:At bottom of the conventional anchorage block with flat base, the tenon against sliding is applied. The passive earth pressure by the tenon is fully utilized to improve the stability of the anchorage block against sliding and reduce its cost as well. The simplified rigidity limit equilibrium theory is applied to compare and analyze the safety factors of the conventional anchorage block with flat base and the anchorage block with tenon. The anchorage block of one water diversion project, for example, is applied to compare and analyze its safety factors so as to provide the similar structure design with reference.

Key words:anchorage block; tenon; stability against sliding; passive earth pressure

中圖分類號：TV223

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.01.013

作者簡介：周理想(1984- ),男,江西省瑞昌市人，工程師，主要從事水利工程規劃及設計工作.

收稿日期：2015-10-11

文章編號：1006—2610(2016)01—0051—03