浅谈供水工程镇墩设计

刘 倩，杨勇智

(陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西 西安 710018)

镇墩是供水工程中一个重要的水工建筑物，运行中镇墩一旦出问题，将造成非常严重的后果。结合某市引黄供水工程，其属于为城市及厂矿供水工程，工程布设七级10座泵站梯级抽水，总装机容量50 MW。依据《调水工程设计导则》(GB50201—94)确定其为Ⅲ等中型供水工程。

该工程引水管道全长超过30 km，输水主要采用DN1000～DN1200球墨铸铁管，输水流量1.38 m3/s，按照输水线路管道规范要求，沿程需设大量镇墩。

本文主要通过对的镇墩的设计计算，选取合理的工程措施，总结一些镇墩的经验，仅供参考。

1 供水工程镇墩的设计

我国现行的镇墩设计依据是《小型水力发电站设计规范》与《泵站设计规范》。根据规范要求，结合已建工程成功案例及失事破坏的经验，镇墩的设计需要完成抗滑，抗倾覆、地基应力等的验算，为采取合理的措施，预防墩体裂缝的产生，在镇墩设计时应该满足以下基本条件:

(1)抗滑稳定。保证镇墩在各种力作用下，其抗滑稳定安全系数大于允许抗滑稳定安全系数。

(2)地基应力。镇墩的地基设计应力大于镇墩的地基实际承载力。

(3)抗倾覆稳定。对高度较大的镇墩，其建基面距离钢管合理作用点距离较大，需要进行抗倾覆稳定验算，以防止镇墩倾覆。

(4)裂缝限制。对于上凸弯管(管段坡度上部缓下部陡)上的镇墩，应采取措施，保证镇墩不发生腰线开裂或者控制其开裂。

(5)不发生扭转。当压力钢管存在平面转弯的时候，要防止其发生扭转。

2 镇墩设计计算

输水线路长，根据设计需要镇墩布设150～250 m布设一个镇墩，由于沿线镇墩水平夹角，竖直方向夹角，输水管道及地质条件各不相同，因此进行镇墩的体积设计需要大量的计算，才能使设计的镇墩体型便于现场施工，降低工程造价。

2.1 设计分析

当输水线路确定后，且镇墩的设置原则明确后，镇墩所受外力有:镇墩上段钢管对镇墩作用力与镇墩下段钢管对镇墩作用力。而镇墩体型设计的目的，就是满足镇墩在合力作用下，其抗滑，抗倾覆、地基应力等应满足规范要求。

(1)对于镇墩的抗滑验算，抗滑安全系数的计算，由计算公式(1)。

式中:KC为计算抗滑稳定安全系数、[KC]为允许的抗滑稳定安全系数，f为镇墩基底摩擦系数，ΣY为镇墩所受竖直向的合力，ΣX为墩所受水平向的合力，G为镇墩重量。镇墩所受外力及摩擦系数，依照实际情况确定，因此可知镇墩抗滑系数的大小，与镇墩的重量成正比。

(2)对于镇墩的地基应力的计算，由计算公式(2)。

式中:为作用在地基上的最大或最小应力，B为镇墩沿管轴方向的底面宽度，L为镇墩垂直管轴线方向的底面长度，e为合力作用点对镇墩底面形心的偏心距，[R]为地基的允许承载力。

由上分析可知，当钢管线路确定后，镇墩受输水钢管的合力ΣY是一定的，而地基所能承受的应力[R]也可根据地质情况确定，因此当镇墩重量G一定时，底面积越大，计算的镇墩所受的地基应力就相应的较小些。

(3)对于镇墩的抗倾覆的问题，由计算公式(3)。

式中:K0为抗倾覆稳定安全系数、[K0]为允许的抗倾覆稳定安全系数、y0为作用在镇墩上的垂直合力的作用点距倾覆原点的距离(m)、x0为作用在镇墩上的水平合力的作用点距倾覆原点的距离(m)。

由镇墩的受力可知，镇墩的倾覆力矩(对镇墩度面外侧边缘点)是镇墩所受外力的合力的水平分力产生的力矩，而抗倾覆的力矩为镇墩自重和合力的垂直分力产生。当输水管道中心高程不变时，镇墩的自重与镇墩重心的位置是影响抗倾覆验算的主要因素。因此，在拟定镇墩尺寸时，应尽量降低镇墩中心距镇墩底面的高度。或者加大镇墩重心距离镇墩边缘的水平距离。

2.2 体型设计

按照镇墩的设计要求，镇墩计算一般应该考虑正常运行与停机工况，在不同的工况下对镇墩的体型的都得进行抗滑，抗倾覆、地基应力等验算，得出满足要求的镇墩体型。而镇墩体型的选定是一个反复验算与迭代的过程，对于那些数量较少且受力相近的镇墩，可以通过初步拟定镇墩体型，尝试手算;但是对于那些数量多且受力不同的镇墩，体型设计验算工作量很大会给设计带来不便。

由以上的镇墩设计分析，可以得出，当镇墩重量一定时，设计中为了使镇墩体型优化尽可能最小，可以使镇墩底面，长与宽取较大的数值(沿管道方向为镇墩的长)，应尽量降低镇墩中心距镇墩底面的高度，这样可以降低地基的应力，也能使镇墩计算的抗倾覆安全系数更大，镇墩更安全。

因此设计中，在初拟镇墩体型时，以满足钢管外包混凝土厚度的情况下，可相应的取大镇墩底面积，来降低镇墩高度。验算镇墩体型的过程中，可以利用 EXCEL，通过设置镇墩的体型条件，使镇墩由最小体积为0.001 m3，并以增加0.001 m3的体积进行循环迭代，在此迭代过程中，针对镇墩体型分别进行地基承载力、抗滑、抗倾覆的验算。验算时以是否满足规范要求为目标函数，程序会自行进行体型的调整，直至满足地基承载力、抗滑、抗倾覆的验算，最终得到结果是能满足各项要求的最小体积的体型尺寸。

3 结语

镇墩是供水工程中常遇到的水工建筑物，设计时应对镇墩的抗滑稳定、地基应力、抗倾覆稳定进行严密的计算，在满足安全的条件下，尽可能地优化镇墩的体型以减少镇墩的体积，增加镇墩的安全性，降低工程造价，便于施工。

通过分析镇墩计算的公式以及镇墩体形的优化设计，提出通过EXCEL的宏进行反复循环迭代计算，在所有计算参数满足规范要求的前提下得出最小的镇墩体形的方法。