壓力管道雙管輸水鎮墩計算要點及安全系數取用

劉幫超

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000）

在壓力輸水管線中,鎮墩的設置是必不可少的,在鎮墩計算過程中由于墻背土壓力取用值不同,各工況及使用條件不同,各規范相應的安全系數各有差異,通過對陜北某工程鎮墩在不同墻背土壓力及安全系數條件計算,確定適合工程實際的土壓力計算方法及安全系數取用值。

1 工程概述

陜北地區某壓力輸水工程,全長約22 km,前段10 km采用雙管DN1600 管道輸水,根據壓力不同管材分別有鋼管、球墨鑄鐵管和預應力鋼筒混凝土管,加壓段共設置鎮墩約72座,取其中1座鎮墩作為典型鎮墩進行分析計算。平面轉角按α為45°計算,立面轉角上下游各1°,立面角為上彎彎管。

圖1 鎮墩平面示意圖

2 工況及荷載

2.1 工況確定

按照鎮墩使用情況可將鎮墩計算工況分為：1）基本組合設計運行工況；2）基本組合檢修運行工況；3）特殊組合水錘校核工況；4）特殊組合水壓試驗工況。各工況對應的荷載見表1。

表1 鎮墩穩定計算荷載組合

2.2 荷載計算

（1）管道自重

60#鎮墩上下游管道均為T型K9 級球墨鑄鐵管,單米重量為764 kg/m,計算管重長兩側各算至第一個承插接口。

（2）管內水重

將管道內水重按照上下游各5m長分別計算,管道外徑為1.668 m,壁厚為18.9 mm,管道計算內徑為1.63 m。

（3）水推力

工況一,60#鎮墩處正常運行時水壓線標高為1149.73 m,管中心線高程為1094.88 m,正常運行水壓力水頭為54.85 m。

工況二,檢修工況,檢修閥門上游管道,閥門關閉,放空上游管道,閥門處受出水池水位靜水壓力,出水池水位為1146 m,壓力水頭為51.12 m。

工況三,管道發生校核水錘工況時所受水壓力,此處按照正常運行水頭的1.5 倍計算,計算水頭為82.3 m。

工況四,打壓工況,為管道及鎮墩建成后進行水壓試驗,試驗壓力為正常運行水頭增加50 m計算為104.85 m。

（4）離心力

工況一,正常運行工況,設計流量為5.03 m3/s,單管流量為2.52 m3/s,管內流速為1.2 m/s；工況二,檢修工況與工況三打壓工況,流速為0,水錘工況時,根據水力過渡分析,單管最大倒流流量為1.55 m3/s,對應管內流速為0.77 m/s計算。

（5）承插口水推力

管道接口設計內徑為1.76 m,管道計算內徑為1.63 m。

（6）水壓力的合成與分解

式中：P水上為上游內水壓力產生的水推力,N；P水下為下游內水壓力產生的水推力,N。

圖2 鎮墩水壓力計算受力簡圖

表2 鎮墩基本荷載計算值

（7）土壓力

A.按照《水利水電工程壓力鋼管設計規范》中土壓力計算如下：

土壓力在鎮墩周圍及頂面分布,主動土壓力作用方向與鎮墩所受外力合力方向一致,被動土壓力與鎮墩所受合力方向相反。墩頂覆土為2.8 m,填土容重γ為18 kN/m2,內摩擦角為27°。按照擬定的不同鎮墩尺寸及受力方向,計算出各工況的土壓力。

式中：Ep為作用在鎮墩抗推力一側的被動土壓力,N；Ea為作用在鎮墩迎推力一側的主動土壓力,N；被動土壓力可進行折減,被動土壓力折減系數,當鎮墩無位移時可取0.8~0.9,小位移時可取0.4~0.9,此算例取0.6。

B.按照土壓力基本計算理論,土壓力應與土的粘聚力有關,土壓力主要分為靜止土壓力、主動土壓力和被動土壓力,三種土壓力的定義和計算公式分別為：

①靜止土壓力：當擋土墻為剛性不動時,土體處于靜止狀態不產生位移和變形,此時作用在擋土墻上的土壓力稱為靜止土壓力E0。

對于砂土或正常固結粘土,

式中：φ'為填土的有效內摩擦角。

②主動土壓力：如果擋土墻背離填土方向轉動或移動時,隨著位移量的逐漸增加,墻后土壓力逐漸減小,當墻后填土達到極限平衡狀態時的土壓力稱為主動土壓力Ea。

對于無粘性土,C=0,

③被動土壓力：如果擋土墻向著填土方向轉動或移動時,隨著位移量的逐漸增加,墻后土體受到擠壓而引起土壓力逐漸增加,當墻后填土達到極限平衡狀態時增大到最大值,此時作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力Ep。

對于無粘性土,C=0,

3 擬定鎮墩尺寸及計算

按照不同規范安全系數要求,確定安全系數取用。

（1）《給水排水工程管道結構設計規范》4.2.13規定“對非整體連接的管道,在其敷設方向改變處,應作抗滑穩定驗算。對沿滑動方向一側的土壓力可按被動土壓力計算；抗滑驗算的穩定性抗力系數不應小于1.5”。

（2）《泵站設計規范》中規定,鎮墩抗滑穩定安全系數的允許值：基本組合下不應小于1.30, 特殊荷載組合下不應小于1.10,對土壓力計算未作明確規定。

（3）《水利水電工程壓力鋼管設計規范》中規定,抗滑穩定性安全系數,可取1.5；對被動土壓力計算,采用折減系數進行折減。

（4）《柔性接口給水管道支墩》中,抗滑穩定性抗力系數為1.5；迎推力側按照主動土壓力計算,抗推力側按照被動土壓力計算。

由于《給水排水工程管道結構設計規范》為強制條紋,安全系數按1.5,擬定鎮墩尺寸。

分別采用被動土壓力加折減、靜止土壓力、主動土壓力作為墩背土的有利荷載,在滿足安全系數的情況下,擬定A型、B型、C型三種鎮墩尺寸,并計算出其他兩種土壓力對應的安全系數,計算結果見表3。

表3 不同墩背土壓力對應的安全系數計算值（滿足被動土壓力加折減）

4 結果分析

（1）根據土壓力計算結果可知,靜止土壓力為主動土壓力的1.45倍,被動土壓力為主動土壓力的7.09 倍,當被動土壓力按照0.6折減系數折減后,折減被動土壓力為主動土壓力的4.25倍。被動土壓力為靜止土壓力的3.44倍。如將被動土壓力折減為靜止土壓力,折減系數約為0.3。

（2）當采用被動土壓力加折減作為墩背土壓力時,擬定的A型鎮墩,安全系數為1.53（打壓工況）對應的靜止土壓力作為墩背土壓力時的安全系數為0.92,不滿足規范要求,對應的主動土壓力作為墩背土壓力時的安全系數為0.82,不滿足規范要求。

（3）當采用靜止土壓力作為墩背土壓力時,擬定的B型鎮墩,安全系數為1.50（打壓工況）對應的被動土壓力加折減作為墩背土壓力時的安全系數為2.32,滿足規范要求,對應的主動土壓力作為墩背土壓力時的安全系數為1.37,不滿足規范要求,差異較小。

（4）當采用主動土壓力作為墩背土壓力時,擬定的C型鎮墩,安全系數為1.51（打壓工況）對應的被動土壓力加折減作為墩背土壓力時的安全系數為2.51,滿足規范要求,對應的主動土壓力作為墩背土壓力時的安全系數為1.65,滿足規范要求。

（5）由于抗滑安全系數不同,擬定的鎮墩尺寸不同,對應工程量及造價存在差異,A型鎮墩混凝土體積為168.3 m3,B型鎮墩混凝土體積為386.3 m3,C型鎮墩混凝土體積為448.3 m3。B型鎮墩較A型鎮墩體積增大129%,C型鎮墩較A型鎮墩體積增大166%。

5 結論及建議

5.1 結論

（1）當鎮墩背部填土按照被動土壓力計算時,能減少鎮墩體型,但安全系數相應降低,按照被動土壓力的定義,產生被動土壓力時墻背已出現壓縮位移變形,但對應壓力輸水管線位移變形將對管道安全產生不利影響,故從管道長期安全運行考慮,鎮墩背部土壓力計算不宜采用被動土壓力,如采用被動土壓力計算,應采用不小于0.3的折減系數。

（2）當鎮墩背部填土按照靜止土壓力計算時,鎮墩在各工況條件下運行穩定合理,工程量適中,可作為鎮墩體型擬定的控制土壓力。

（3）當鎮墩背部填土按照主動土壓力計算時,鎮墩體型較大,工程量大,工程投資偏大,不推薦作為控制土壓力。

（4）《水利水電工程壓力鋼管設計規范》中土壓力計算公式,應考慮土的粘聚力作用。

（5）在鎮墩的抗滑安全系數取用時,應按照《給水排水工程管道結構設計規范》中的相關規定,滿足抗滑安全系數不小于1.5。

5.2 建議

在水利供水工程鎮墩計算時,應分析管線工況及管道條件,在小管徑、低水頭鎮墩設計時鎮墩體型對工程造價差異不大；在大口徑、高水頭鎮墩設計時,應詳細分析計算工況及管道條件,可有利于節約工程投資。