胡連超　蔣愛(ài)辭　康迎賓

(1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州　450004；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州　450003；3.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州　450011)

?

水平彎管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析

胡連超1蔣愛(ài)辭2康迎賓3

(1.中國(guó)建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州450004；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州450003；3.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450011)

【摘要】本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)水平彎管鎮(zhèn)墩所受荷載進(jìn)行總結(jié)，并以南水北調(diào)中線配套工程為例，對(duì)水平轉(zhuǎn)角不同的四個(gè)典型彎管鎮(zhèn)墩進(jìn)行安全分析。分析認(rèn)為在不同水平轉(zhuǎn)角下，鎮(zhèn)墩在抗滑穩(wěn)定、地基承載能力、抗傾穩(wěn)定性以及防裂等幾方面均能滿足規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】鎮(zhèn)墩； 水平彎管； 安全分析； 要求

鎮(zhèn)墩主要布置在水電站、抽水站出水管及供水工程壓力管的轉(zhuǎn)角和伸縮節(jié)安裝處，是用來(lái)保證各管段安全的建筑物。一般由混凝土澆筑而成，靠自重固定鋼管，承受因水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力，使水管在此處不產(chǎn)生任何方向的位移進(jìn)而維持穩(wěn)定[1]。鎮(zhèn)墩分平面轉(zhuǎn)角、垂直轉(zhuǎn)角、三通等幾種型式。

鎮(zhèn)墩作為供排水工程中的重要建筑物，其安全性直接關(guān)系到水電站、抽水站功能、效益的實(shí)現(xiàn)；另外鎮(zhèn)墩內(nèi)壓力鋼管的布置形式復(fù)雜、受力條件變化較大。因此，在鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中，必須滿足工程安全需要。不僅要對(duì)其抗滑、抗傾、地基承載力進(jìn)行計(jì)算校核，同時(shí)也要對(duì)它的結(jié)構(gòu)合理性進(jìn)行論證。

1作用在鎮(zhèn)墩上的力

水平彎管鎮(zhèn)墩承受的載荷主要有壓力管道傳遞來(lái)的荷載、鎮(zhèn)墩自身重力、垂直覆土壓力、被動(dòng)土壓力、主動(dòng)土壓力、地基的摩阻力，有地下水的地方還要考慮浮力以及地基反力。

1.1壓力管道傳遞來(lái)的荷載

水平彎管傳遞給鎮(zhèn)墩的荷載主要包括：水平方向的彎管外推力及豎直方向荷載。對(duì)于水平彎管，外推力主要是水流離心力、內(nèi)水壓力、水流與管壁摩擦力、因溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力等多種荷載沿管軸方向的合力[2]；豎直方向荷載是由水平彎管的法向力組成，主要包括鎮(zhèn)墩中鋼管的自重及鋼管中的水重。

1.1.1彎管外推力

水平外推力Fpw是由水流離心力、內(nèi)水壓力、水流與管壁摩擦力、因溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力等幾種軸向力綜合而成的。

a.彎管處水流離心力R1。

(1)

式中D0——管道內(nèi)徑；

V——管中水流的速度；

g——重力加速度；

γw——水的容重。

b.彎管處內(nèi)水壓力產(chǎn)生的軸向力P。

(2)

式中D0——管道內(nèi)徑；

P0——壓力管道最大內(nèi)水壓力。

c.水流與管壁摩擦產(chǎn)生的拖曳力R2。

(3)

式中γw——水的容重；

D0——管道內(nèi)徑；

hf——管道沿程水頭損失。

d.溫度變化時(shí)管道產(chǎn)生的軸向力。由于地下埋管每隔3～5m要進(jìn)行分節(jié),管節(jié)之間設(shè)有柔性接頭,功能相當(dāng)于伸縮節(jié),允許管道有足夠伸縮變形；另外鋼管埋在地下,受溫度影響小，溫度變化不大[3]。故因溫度改變而導(dǎo)致管道產(chǎn)生的軸向力可忽略不計(jì)。

綜上所述，水平外推力Fpw公式：

(4)

式中α——水平彎管的轉(zhuǎn)彎角度。

1.1.2豎直方向荷載

對(duì)于水平彎管，作用在垂直管軸線方向的力[4]主要有以下兩個(gè)。

a.鋼管自重G1K。

(5)

(6)

式中qg——單位管長(zhǎng)鋼管的自重；

L——鎮(zhèn)墩長(zhǎng)度；

D0——管道內(nèi)徑；

t——管道壁厚；

γg——鋼管容重。

b.管中水重G2K。

(7)

(8)

式中qs——單位管長(zhǎng)的水重；

γw——水的容重。

1.2鎮(zhèn)墩自重Gzd

(9)

式中B——鎮(zhèn)墩寬度；

H——鎮(zhèn)墩高度；

L——鎮(zhèn)墩長(zhǎng)度；

D0——管道內(nèi)徑；

t——管道壁厚；

γh——混凝土的容重。

1.3垂直土壓力Fsv

(10)

式中B——鎮(zhèn)墩寬度；

h1——鎮(zhèn)墩的墩頂距地面埋深高度；

L——鎮(zhèn)墩長(zhǎng)度；

γs——土的容重。

1.4被動(dòng)土壓力Epk

(11)

式中φ——土壤內(nèi)摩擦角；

h1——鎮(zhèn)墩墩頂距地面的埋深高度；

h2——鎮(zhèn)墩墩底距地面的埋深高度；

γs——土的容重；

L——鎮(zhèn)墩長(zhǎng)度。

1.5主動(dòng)土壓力Eep

(12)

式中φ——土壤內(nèi)摩擦角；

h1——鎮(zhèn)墩墩頂距地面的埋深高度；

h2——鎮(zhèn)墩墩底距地面的埋深高度；

γs——土的容重；

L——鎮(zhèn)墩長(zhǎng)度。

1.6滑動(dòng)摩擦力Fsk

(13)

式中f——鎮(zhèn)墩與底面土壤的摩擦系數(shù)；

2水平鎮(zhèn)墩安全分析

鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析主要包括抗滑穩(wěn)定校核、地基承載能力校核、抗傾穩(wěn)定性分析以及防裂分析四部分。參考相關(guān)規(guī)范，安全穩(wěn)定分析方法及要求如下。

a.抗滑穩(wěn)定。

(14)

式中K——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

Fsk——鎮(zhèn)墩與底面土壤的滑動(dòng)摩擦力；

T——土壓力造成的鎮(zhèn)墩阻力，T=Epk-Eep；

Fpw——水平外推力。

鎮(zhèn)墩在承受各種力的情況下，計(jì)算所得的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，即K≥[Kc]。

b.地基承載力。

(15)

A——鎮(zhèn)墩底面積；

W——鎮(zhèn)墩底面的抗彎截面模量。

鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力最大值不得超過(guò)地基允許承載力，即Pmax≤[P]；基底不應(yīng)出現(xiàn)拉應(yīng)力，即最小值Pmin≥0；基底應(yīng)力不均勻系數(shù)不大于規(guī)范允許值，Pmax/Pmin≤[η]。

c.抗傾覆穩(wěn)定。

(16)

式中ζ——抗傾系數(shù)；

MD——鎮(zhèn)墩上的抗傾力矩總和；

MQ——傾覆力矩總和。

鎮(zhèn)墩上抗傾系數(shù)不小于允許抗傾系數(shù)值，即ζ≥[ζ]。

d.防裂分析。水平鎮(zhèn)墩轉(zhuǎn)彎處包裹壓力鋼管的上部、左右兩側(cè)的混凝土，抗拉能力極低，因此在壓力鋼管內(nèi)水壓力發(fā)生微小變化，或者壓力鋼管發(fā)生微小膨脹時(shí)都將會(huì)出現(xiàn)裂縫[5]。

在鎮(zhèn)墩薄弱斷面應(yīng)有足夠厚度的混凝土或者在此處適當(dāng)配置一些鋼筋，防止鎮(zhèn)墩表面被拉裂。

3案例分析

3.1工程概況

南水北調(diào)中線配套工程焦作受水區(qū)，設(shè)計(jì)總分配水量2.69億m3，包括5條輸水線路，即25號(hào)溫縣輸水線路、26號(hào)博愛(ài)輸水線路、27號(hào)府城輸水線路、28號(hào)蘇藺輸水線路、28號(hào)修武輸水線路。其中26號(hào)輸水線路(樁號(hào)K0+000～K28+237.806),分為4個(gè)標(biāo)段，即02標(biāo)段、03標(biāo)段、04標(biāo)段、05標(biāo)段。輸水管道采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管(簡(jiǎn)稱(chēng)PCCP)地下埋管，總長(zhǎng)度為28.24km，管道內(nèi)徑為1400mm,設(shè)計(jì)流量為1m3/s。其中施工05標(biāo)段(K22+190～K28+237.806)，該標(biāo)段管線長(zhǎng)度大、管線復(fù)雜、轉(zhuǎn)角多，因此在管線沿途埋設(shè)多個(gè)鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩多為水平彎管鎮(zhèn)墩，材料為C25鋼筋混凝土，內(nèi)包裹有與PCCP管內(nèi)徑相同的壓力鋼管。在鎮(zhèn)墩外側(cè)槽內(nèi)灌入C15混凝土，鎮(zhèn)墩底部布置有100mm厚的C10混凝土墊層。另外在鎮(zhèn)墩內(nèi)側(cè)和頂部填上土壤，并加以振搗壓實(shí)。鎮(zhèn)墩平面、斷面示意圖如圖1、圖2所示。

圖1　鎮(zhèn)墩平面示意圖

圖2　鎮(zhèn)墩斷面示意圖

3.2鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)參數(shù)

該次安全分析，按地下埋管水平轉(zhuǎn)角的不同，參照工程施工圖，分0°～15°，15°～45°,45°～75°,75°～90°四個(gè)區(qū)間，并且在每個(gè)區(qū)間分別取1個(gè)典型鎮(zhèn)墩進(jìn)行安全分析，所選鎮(zhèn)墩編號(hào)如下：TH50、TH52、TH58、TH63 。設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所列。

表1　鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)參數(shù)值

查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料[6]、施工圖紙，壓力鋼管最大內(nèi)水壓力P0=0.8MPa，土壤內(nèi)摩擦角φ=30°，鎮(zhèn)墩底與基礎(chǔ)間的摩擦系數(shù)f=0.35，鎮(zhèn)墩覆土埋深參數(shù)h1、h2數(shù)據(jù)值如表2所列。

表2　鎮(zhèn)墩覆土埋深參數(shù)值

3.3荷載計(jì)算值

參照以上公式及鎮(zhèn)墩各參數(shù)值，分別計(jì)算出壓力管道傳遞來(lái)的荷載、鎮(zhèn)墩自身重力、垂直土壓力等荷載值。計(jì)算結(jié)果如表3所列。

3.4安全分析

依據(jù)安全分析各公式、鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)參數(shù)值及荷載計(jì)算值，對(duì)水平彎管鎮(zhèn)墩進(jìn)行安全分析，計(jì)算結(jié)果如表4所列。

表3　鎮(zhèn)墩上荷載計(jì)算值

表4　鎮(zhèn)墩安全分析計(jì)算結(jié)果

4結(jié)論

參考四種不同的水平轉(zhuǎn)角下安全分析的數(shù)值并結(jié)合工程實(shí)際情況，分析得：?鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定系數(shù)均大于允許值，其中[Kc]取值為1.5，因此抗滑穩(wěn)定滿足規(guī)范要求；?鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力最大值均小于地基允許承載力[P]，基底應(yīng)力最小值Pmin均大于零，基底應(yīng)力不均勻系數(shù)均小于允許值[η]，其中[P]取值為160kN/m2、[η]取值為1.50，因此鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力也能滿足要求；?鎮(zhèn)墩抗傾系數(shù)均大于允許抗傾系數(shù)值[ζ]，其中[ζ]取值為2，因此能滿足鎮(zhèn)墩抗傾要求；?在鎮(zhèn)墩施工設(shè)計(jì)過(guò)程中，在鎮(zhèn)墩上下、內(nèi)外側(cè)分別配置了直徑為14mm的HPB235級(jí)構(gòu)造鋼筋，另外在鎮(zhèn)墩抗力側(cè)也有一定厚度的混凝土，因此完全能夠滿足鎮(zhèn)墩抗裂要求。

結(jié)論：水平彎管鎮(zhèn)墩在不同轉(zhuǎn)角情況下，其安全穩(wěn)定均能滿足規(guī)范要求；實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，不同轉(zhuǎn)角的水平彎管鎮(zhèn)墩的安全穩(wěn)定性較好。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50265—2010泵站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[2]SL 379—2007.水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社,2007.

[3]DL 5077—97水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社，1997.

[4]魏秉華.給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[5]揚(yáng)州水利學(xué)校.抽水機(jī)與抽水站[M].北京：水利出版社，1982.

[6]左東啟.水工建筑物[M].南京:河海大學(xué)出版社，1995.

Analysis on stability of side bend anchorage block

HU Lianchao1,JIANG Aici2,KANG Yingbin3

(1.Chinese Construction Seventh Engineering Division Co.,Ltd.,Zhengzhou 450004,China; 2.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou 450003,China; 3.North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450011,China)

Abstract：In the paper,load on side bend anchorage block is summarized.Midline supporting project of south-to-north water conversion is adopted as an example.The safety of four typical side bend anchorage blocks with different horizontal angles is analyzed.It is believed by analysis that the anchorage block can meet requirements in the specification in the aspects of anti-sliding stability,foundation bearing capacity,anti-inclining stability,crack resistance,etc.under different horizontal angles.

Key words：anchorage block; side bend; safety analysis; requirement

DOI:10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.06.009

中圖分類(lèi)號(hào)：TV68

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-4774(2016)06-0032-05