□肖 璐(烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)水務(wù)監(jiān)察大隊(duì))

鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討

□肖 璐(烏魯木齊市達(dá)坂城區(qū)水務(wù)監(jiān)察大隊(duì))

鎮(zhèn)墩在工程設(shè)計(jì)上應(yīng)用比較廣泛，對(duì)管道或水工建筑物起到穩(wěn)定及保護(hù)的作用，通常在地形的突變處，管道的轉(zhuǎn)彎處和分叉處設(shè)混凝土鎮(zhèn)墩，教科書(shū)及規(guī)范僅對(duì)穩(wěn)定和地基應(yīng)力做了相應(yīng)的規(guī)范和要求，僅適用于一般的鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)，對(duì)于斜管和水平管段的設(shè)計(jì)理論不夠全面，文章對(duì)鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，通過(guò)整理公式的計(jì)算，旨在對(duì)鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)起到推動(dòng)作用。

鎮(zhèn)墩;管道力;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

鎮(zhèn)墩屬重力式結(jié)構(gòu)，利用自重維持穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容：驗(yàn)算在最不利組合情況下抗滑穩(wěn)定和抗傾穩(wěn)定，驗(yàn)算鎮(zhèn)墩各危險(xiǎn)斷面的應(yīng)力、地基應(yīng)力及穩(wěn)定。

1 作用于鎮(zhèn)墩上的荷載及計(jì)算條件

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

1.1 直接作用于鎮(zhèn)墩上的荷載

有：由水壓力產(chǎn)生沿管軸方向的軸向力；彎管水流離心力；鎮(zhèn)墩自重；側(cè)向土壓力。

1.1.1 由內(nèi)水壓力產(chǎn)生的軸向力

在管道轉(zhuǎn)彎處，內(nèi)水壓力將產(chǎn)生沿管軸方向的軸向力，直接作用域鎮(zhèn)墩上。

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

1.1.2 彎管段水流離心力

水流在彎管段流動(dòng)產(chǎn)生離心力，通過(guò)管壁傳給鎮(zhèn)墩。作用線(xiàn)與管段中心角的角平分線(xiàn)重合。

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

離心力的合力分解為兩個(gè)軸向力：

1.1.3 彎管水體重

式中：b—彎矩段起點(diǎn)，終點(diǎn)至支管管端長(zhǎng)度（m），其余符號(hào)同前。

1.1.4 鎮(zhèn)墩自重

可根據(jù)鎮(zhèn)墩尺寸計(jì)算。鎮(zhèn)墩在水位以下用浮容重。

1.1.5 作用于鎮(zhèn)墩的水平土壓力

鎮(zhèn)墩四周都有填土，為安全，一般只考慮鎮(zhèn)墩上游側(cè)面的主動(dòng)土壓力。按填土與鎮(zhèn)墩頂面平計(jì)算。

式中：ka—主動(dòng)土壓力系數(shù)，，γs—土容重（kN/m3），B—鎮(zhèn)墩寬度（m），D1—管的外徑（m），h2—鎮(zhèn)墩底至頂?shù)母叨龋╩），h1—斜管段管端斷面中心線(xiàn)至填土頂面高度（m）。

1.2 通過(guò)管身傳給鎮(zhèn)墩的荷載

有：管道自重，管內(nèi)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(jù)尺寸自重可求得。將自重分解為平行于管軸線(xiàn)和垂直于管軸線(xiàn)的2個(gè)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(zhǎng)度（m）,G1—單位長(zhǎng)斜管自重（kN/m）,Dcp平均直徑（m）,，γh—管材容重（kN/m3）,其余符號(hào)同前。

1.2.2 管內(nèi)水重

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

1.2.2.1 斜管段：

管內(nèi)水重：G2L1=πR20γL1（8）

垂直分力：N2=G2L1cosα （9）

式中：R0—管內(nèi)半徑（m）,G2—單位長(zhǎng)斜管水重（kN）。

1.2.2.2 水平管段

管內(nèi)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(jì)。在大河中的工程不應(yīng)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(jì)算。一般填土較淺，可按上埋式土壓力計(jì)算。除計(jì)算GB外，還需考慮管頂水平線(xiàn)至管腹間填土壓力GN。土壓力分解為軸線(xiàn)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(shù)。

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(jì)。

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(shù)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(dòng)的力，稱(chēng)下滑力。垂直于管軸線(xiàn)傳給坐墊力之和在管底與座墊之間產(chǎn)生摩擦力，阻止管身下滑。當(dāng)坡度較緩時(shí)，下滑力為摩擦力平衡，管身不滑動(dòng)；當(dāng)坡度陡，而摩擦力不足以阻止管身下滑時(shí)，則大于摩擦力的那部分滑動(dòng)力將通過(guò)斜管傳給鎮(zhèn)墩。

坡度的陡緩，可用臨界坡度αk來(lái)區(qū)分。當(dāng)時(shí)αk=f0，斜坡上的物體開(kāi)始向下滑動(dòng)，f0為管底與座墊之間或管底與素土基之間的摩擦系數(shù)。管底與座墊之間的最大摩擦力按下式計(jì)算：

A6=f0(N1+N2+N4) （16）

當(dāng)鎮(zhèn)墩與座墊之間為剛性連接時(shí)，水平管段在管底與座墊之間的摩擦力，將阻止鎮(zhèn)墩下滑。其最大摩擦力近似按下式計(jì)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(jì)算長(zhǎng)度。

2 鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析及應(yīng)力計(jì)算

鎮(zhèn)墩與兩側(cè)管端連接方式不同，通過(guò)管道給鎮(zhèn)墩傳遞的荷載也不同。按常見(jiàn)的3種連接方式，分析鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

2.1 鎮(zhèn)墩與管端剛性連接

當(dāng)α＞αk，下滑力大于摩擦，將所有力分解為鉛直和水平2個(gè)分力，并將其分別總和，得出使鎮(zhèn)墩沿底板面滑動(dòng)的滑動(dòng)力及阻止滑動(dòng)的抗滑力，其安全系數(shù)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(zhèn)墩與地基之間的摩擦系數(shù)，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(cè)向土壓力；G，Gw—分別為鎮(zhèn)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(dāng)α≤αk，下滑力小于摩擦力，不考慮斜管下滑，不計(jì)算A3，A4，A5，A6等項(xiàng)，ΣAi=A1+A2。

2.2 鎮(zhèn)墩與兩管端柔性連接

要求斜管與鎮(zhèn)墩都能維持自身穩(wěn)定，故鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，不考慮通過(guò)管道傳給鎮(zhèn)墩的力，只考慮直接作用于鎮(zhèn)墩上的荷載。

2.3 鎮(zhèn)墩上側(cè)與管端剛性連接，下側(cè)與管端柔性連接

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

3 結(jié)論

文章將鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)講解，旨在對(duì)鎮(zhèn)墩的規(guī)范設(shè)計(jì)起到參考作用，對(duì)鎮(zhèn)墩進(jìn)行詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)及計(jì)算后，在實(shí)際施工過(guò)程中，采取相應(yīng)的工程保護(hù)措施保證其安全運(yùn)行。

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1673-8853（2016）11-0055-02

2016-08-11

（責(zé)任編輯：劉 青）

肖 璐(1984-)，女，工程師，主要從事農(nóng)田水利工作。