(陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018)

1 鎮(zhèn)墩的結構形式及荷載

1.1 鎮(zhèn)墩的結構形式

鎮(zhèn)墩是一種管道支承結構，其作用是固定管道并承受管道傳來的軸向力。在平面上，管道的轉彎處由于水流離心力、水壓力及溫度變化等作用，有使管節(jié)拉裂、變形縫張開、管軸線變形等趨勢；在縱向上，斜坡上的管道有下滑的傾向。設置鎮(zhèn)墩后，這些不平衡力可由鎮(zhèn)墩承擔，從而改善管道本身的受力狀況。

鎮(zhèn)墩設計一般都為重力式，其作用是利用自重維持其本身的穩(wěn)定，以達到平衡這些作用于鎮(zhèn)墩上的不平衡力。

1.2 鎮(zhèn)墩的荷載計算及荷載組合

鎮(zhèn)墩作為管道的固定端，承受著由上、下游壓力水管傳來的軸向力、部分管重、水重產生的法向力和地震荷載，其中軸向力為主要荷載。根據規(guī)范及相關教材，鎮(zhèn)墩計算時需考慮基本荷載組合及特殊荷載組合。其中基本荷載組合包括管道正常運行情況和正常停機情況(上游停水，閘閥關閉，管內充滿靜水)，特殊荷載組合包括事故停機情況(發(fā)生事故停泵水錘)和地震情況。

在進行以上荷載組合時，應注意各力的作用方向，尤其是溫度變化產生的力，在溫升和溫降兩種情況下，作用力方向恰好相反。同時由于各項荷載在力的分解及合成過程中會出現方向不同，故在荷載組合時易出現錯誤。

2 鎮(zhèn)墩程序化設計的計算

2.1 計算程序的基本思路

鎮(zhèn)墩作為管道的重要支承結構，它的穩(wěn)定性直接關系到整個輸水系統的安全和穩(wěn)定。因此，需要通過必要的穩(wěn)定計算來確定鎮(zhèn)墩的體型。在長距離輸水工程中，受地形地質等條件的限制，設置在管道轉角處的鎮(zhèn)墩個數成百上千，涉及到的結構計算工作量巨大，批量化計算就具有十分重要的意義。

本次鎮(zhèn)墩設計的計算程序的基本思路即是以各項荷載的計算參數為程序輸入，以上述公式作為基本算法，以滿足結構穩(wěn)定安全系數計算要求的體型結構尺寸作為程序的輸出，通過程序的不斷迭代，最終實現對每個鎮(zhèn)墩進行計算的目的。同時為方便施工，對所計算的鎮(zhèn)墩按照一定的方差，進行了歸并處理。

2.2 計算程序的基本算法

鎮(zhèn)墩結構設計的要求包括了鎮(zhèn)墩結構的抗滑穩(wěn)定安全系數計算、抗傾覆穩(wěn)定安全系數計算及地基承載力驗算。上述計算均以各力的水平合力∑X和垂直合力∑Y為基本參數，因此在鎮(zhèn)墩計算程序化的過程中，將其計算過程作為基本算法，具體計算如下：

∑X=∑A1×cosα1+∑A2×cosα2-∑Q1×sinα1-∑Q2×sinα2

∑Y=∑A1×sinα1+∑A2×sinα2+∑Q1×cosα1+∑Q2×cosα2

式中：∑A1和∑A2分別為鎮(zhèn)墩上段和下段管軸方向合力；∑Q1和∑Q2分別為鎮(zhèn)墩上段和下段垂直管軸方向合力；α1和α2分別為鎮(zhèn)墩上下段管道傾角；∑X和∑Y分別為鎮(zhèn)墩水平和垂直方向的合力。

3 鎮(zhèn)墩程序簡介

3.1 平臺語言及工具

《陜水環(huán)院鎮(zhèn)墩計算軟件》由我院自主開發(fā)。為充分考慮軟件的的擴展性、安裝使用的便捷性等因素，確定了軟件開發(fā)的平臺語言及工具分別為：Windows X86或X64平臺和C#語言，版本確定為V1.0。

3.2 軟件構架

軟件采用構建陜水環(huán)院水利計算工具包的思路，采用項目管理的方法進行計算，即：每一個計算過程都作為一個項目(Project)進行存儲和管理。在對軟件包進行功能擴展時，可以將新的計算功能作為一個項目類型進行擴充。

軟件開發(fā)不是單純的計算過程界面化，更多地是考慮怎么統籌考慮設計軟件架構和功能的合理性。

3.3 軟件計算方案

3.3.1 原始數據

可對原始數據進行維護：導入數據、追加數據、刪除數據；并可通過雙擊單元格，對數據進行必要修改。

3.3.2 參數設置

可對計算參數進行維護：導入配置、保存配置；可以通過輸入框對參數進行修改，并對參數進行保存；通過設置“按方量進行規(guī)整”，將會對計算結果按照鎮(zhèn)墩體積進行規(guī)整。如圖1所示。

圖1 方案規(guī)整

3.3.3 數據檢查

通過點擊，對數據進行檢查，顯示以下提示，如圖2所示。

圖2 數據檢查

3.3.4 方案運算

點擊，對方案進行計算，計算完成將會有如下提示，如圖3所示。

點擊“抗滑計算”、“抗傾計算”、“基底應力”選項卡，查看計算結果。

3.3.5 成果導出

點擊，導出計算成果，將會有進度條和導出完成提示，如圖4所示：

圖4 成果導出

3.3.6 查看成果

成果有：計算成果匯總表和計算書，如圖5所示。

圖5 成果查看

4 結語

軟件初版研發(fā)后，在陜西省抗旱應急水源項目和吳起縣薛岔水源地供水工程中進行應用。通過鑒選分析，軟件計算成果和傳統計算表格成果雖存在差異，但差異不大，基本都在±1%左右。尤其是在設計工作中，軟件的運用極大的提高了工作效率，改變了逐個進行鎮(zhèn)墩計算的復雜局面。

由于我們在軟件研發(fā)過程中思路還不夠開闊，加之每一項工程設計的地理環(huán)境差異，建議在使用過程中，應對涉及到參數作相應的調整，并對成果進行合理性分析，發(fā)現問題應及時消除，同時對軟件進行升級優(yōu)化。軟件在計算中自動生成每個鎮(zhèn)墩的詳細結構計算書，設計人員需對計算書進行認真校核，確認無誤后方可使用計算結果。