长距离输水工程压力管道地埋镇墩标准化设计

杨启功

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510630)

0 引 言

在水利水电工程以及油气管道等工程的建设中，建造镇墩最大的作用是用来防止压力管道出现位移，起到了固定以及承重的作用。在工程建设当中，常见的地埋压力管道都会采用闭合式镇墩，尤其是在长距离的输水工程项目当中，使用地埋式镇墩能够满足管道回弯以及转折处的稳定要求。目前，镇墩的设计与建造还未形成一个统一的标准，所能够参考的手册和依据也较少，因而在进行长距离输水管道镇墩的设计过程中，如何制定出一整套高效率、高质量的标准成为了一个亟待解决的难题。因而我们只能在实际建设过程中，不断对镇墩尺寸拟定以及稳定计算的方式进行优化，以便可以在节省人力物力的同时，大幅度提升工程建设的精度。

1 地埋镇墩的结构类型

将地埋镇墩的结构类型进行归纳和整理是进行镇墩设计和建造标准化的根基。根据输水管道转弯处的空间以及功能的不同，可以将地埋镇墩细分为以下四种不同的类型：平面镇墩、立面镇墩、复合镇墩以及构造镇墩。具体来讲，平面镇墩一般被应用在输水管道的立面无纵坡处，仅作为平面输水管道上的转折点使用；立面镇墩则通常被用在输水管道的平面无转折处，被用作立面存在着纵坡位置的点位上；复合镇墩通常情况下被应用在输水管道的平面转折点与立面纵坡处的重合点位上；而构造镇墩的应用则常常会结合输水管道实际建设情况，来设置在无转折点的平直管道段内。

1.1 平面镇墩

依据输水管线平面圆心角大小的不同，又可以将平面镇墩划分为大转角五边形地埋镇墩和小转角矩形地埋镇墩两大类，其具体如图1所示。矩形地埋镇墩适用于在输水管线上既没有平面转弯也没有立面纵坡的位置进行设计和建造，而大转角的矩形地埋镇墩的使用位置则需要首先利用公式推导出界限角的大小之后再结合实际建设情况加以确定。

1.2 立面镇墩

立面镇墩又可以依据输水管线走向的不同和立面镇墩纵坡坡度大小的不同细分为4种不同的类型，其具体如图2所示。如图中所示，立面镇墩的四种不同的类型基本涵盖了在诸如输水以及油气工程中所有可能遇到的情况，而为了将输水管道的推力进行标准程序化的判定和计算，还能够将镇墩弯管的类型划分为上行弯管和下行弯管两大类[1]。其中，上行弯管上面的作用力方向朝向为斜下方，计算镇墩稳定力时，作用力中向下的竖向分量起着积极的作用；而下行弯管上面的作用力朝向为斜上方，在进行镇墩稳定力的计算时，弯管上面的竖向分量起到了消极的作用。因而我们可以得出以下结论：Ⅰ型立面镇墩是一种典型的下行弯管，Ⅲ型立面镇墩则为一种典型的上行弯管；而对于Ⅱ型立面镇墩来讲，由于它的α都是位于水平面之下，则可以推断出其所对应的输水管道纵坡坡度值为负数，在α>β的情况下，则可以将其看作为下行弯管，而在α<β的情况下，则可以将其看作为上行弯管；对于Ⅳ型立面镇墩，我们可以看出α都是位于水平面的上方，其所对应的输水管道纵坡坡度值都是正值，在α<β的情况下，则可以将其看作下行弯管，在α>β的情况下，则可以将其看作为上行弯管。在上述的计算过程中，α和β都是绝对值，而且α和β还存着一定的函数关系。

(a)小转角平面镇墩 (b)大转角平面镇墩

此外，对于立面镇墩来说，在α=0的特殊情况下，在β位于水平面之上时，则将其看作Ⅲ型立面镇墩上行弯管，而在β位于水平面之下时，则可以将其归类为Ⅰ型立面镇墩下行弯管；在β=0的特殊情况下，当α处在水平面上方时，则可以将其看作为Ⅲ型立面镇墩上行弯管，在α处于水平面之下时，则可以将其归类为Ⅰ型立面镇墩下行弯管。综上所言，对地埋镇墩进行科学、合理划分和归类，能够为输水管道弯管匹配合理的镇墩和对地埋镇墩进行标准化的程序计算提供极大的方便。

2 地埋镇墩尺寸标准

将输水管线外包混凝土的厚度b作为地埋镇墩结构尺寸的具体控制性参数，以及通过对混凝土厚度b数值的调整来改变地埋镇墩的结构和尺寸，从而使得镇墩的抗滑行和稳定性满足相应的规范和要求[2]。而要想得出具体的地埋镇墩结构尺寸的数学方程式则需要在对输水管道中心线平面和立面进行测量的基础之上再结合地埋镇墩的控制参数b经由几何关系得出。

2.1 立面镇墩尺寸

将立面镇墩的尺寸导入至具体的几何关系式中可得出其具体的数学表达式为：

长度：L = ( b + R tanγ/2 ) ( cos α + cos β )

宽度：B = dn + 2b

高度(Ⅰ 型，Ⅲ型)：判断 △ = max(α， β) ， H = 2b +dn/2(1/cos △+1 ) + ( b + R tanγ/2 )sin△

高度(Ⅱ 型，Ⅳ型)： H = 2b +dn/2 (1/cos α+1/cos β )+ ( b +R tanγ/2 ) ( sin α + sin β )

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +πγR/180 )

2.2 构造镇墩尺寸

依据具体的几何关系式，可以得出构造镇墩的尺寸大小以及混凝土量：

长度：L = dn + 2b

宽度：B = dn + 2b

高度：H = 2b +dn/cos α+ Ltan α

混凝土方量： V = LBH -πdn2/4L/cos α

2.3 平面镇墩尺寸

依据具体的几何关系式，可以得出构造镇墩的尺寸大小以及混凝土量：

长度：L = ( b + R tanθ/2 )( 1 + cos θ )

宽度：B = 2b +dn/2( 1 +1/cos θ )+ ( b + R tanθ/2 )sin θ

高度：H = 2b +dn/cos α+ 2 ( b + R tanθ/2 )sin α

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +πθR/180 )

图2 立面镇墩分类典型图

2.4 复合镇墩尺寸

依据具体的几何关系式，可以得出构造镇墩的尺寸大小以及混凝土量：

长度：L = ( b + R tanθ/2 )( 1 + cos θ )

宽度：B = 2b +dn/2( 1 +1/cos θ )+ ( b + R tanθ/2 )sin θ

高度：H = 2b +dn/2 (1/cos α+1/cos β )+ ( b + R tanθ/2 ) ( sin α + sin β )

混凝土方量： V = LBH -πdn 2/4( 2b +π△R/180)

在上述的数学公式中，L、B、H分别代表地埋镇墩的长、宽、高，b为输水管道外包混凝土的具体厚度，同时也是地埋镇墩的控制参数，dn为输水管道的直径，而R则为输水管道转弯处的半径。通过上述数学公式来对地埋镇墩的稳定性进行受力分析和计算，只需要对控制参数b进行控制，即可改变镇墩的尺寸和重量，大大提升了地埋镇墩稳定性计算的效率。

3 地埋镇墩稳定性计算

3.1 地埋镇墩抗滑稳定性计算

通常来讲，对地埋镇墩的稳定性进行计算，其抗滑性是镇墩稳定性计算的关键所在，在当前阶段，我国还未有对此进行计算的统一标准，因而在具体的施工建造过程中，都是通过对镇墩进行稳定计算拟定来得出其具体的体积大小以及结构尺寸，并在此基础之上进行地基承载力的复核工作[3]。根据具体的输水管道工程技术标准，我们可以得知，在考虑土压力的影响之下，针对地埋输水管道稳定性计算的具体公式为：

Fpk- Fep， k+ Ffk≥ KsFwp.k

在上述公式中，Fpk是作用在镇墩抗推力侧被动土压力的数值； Fep， k为镇墩迎推力侧的主动土压力的数值； Ffk是镇墩底部的摩擦力；Ks是具体的抗力系数，通常情况下，Ks的数值要在1.5以上。

除此之外，对于我们工程中常用的地埋输水管线稳定性计算，现行的《泵站设计规范》当中也给出了具体的参考公式：

Kc=f∑G/∑H

(1)

式中：Kc为具体的抗滑稳定安全系数；∑G为镇墩上的竖向作用力；∑H为镇墩上的横向作用力；f则是镇墩和地基之间的摩擦系数。而对于在进行地埋镇墩稳定性计算的过程中是否将土压力考虑在内，我们常见的策略就是将被动土压当做安全储备，而将主动土压力看作是最坏情况进行计算，在这种情况之下，镇墩的抗滑系数通常情况下都保持在1.5以上，而对于在组合情况下的抗滑稳定系数也应该保持在1.3以上。

4 结 论

1)在进行水利水电的工程建设中，输水管道的地埋镇墩设计和建造和常用的市政工程管道镇墩有着明显的差异，因而在设计和建造之时应谨慎对待，利用数学公式来对地埋镇墩的具体受力点进行推导。

2)对在标准化程序设计下，输水管线中所能够用到的地埋镇墩类型进行了整理和归纳，并在此基础之上对不同类型镇墩的结构尺寸以及稳定性的几何计算公式进行了详细的推导。