镇墩在埋地式压力输水管道工程中应用分析

崔 磊

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司山西太原030024）

1 综述

随着社会的进步和科学技术的发展，埋地式压力输水管道在长距离输水工程中越来越发挥着重要作用。埋地式压力输水管道大多依据现状地形布设，埋设深度应结合外部荷载、抗冲刷、抗浮、冻土深度及与其它建筑物交叉要求确定。输水管线的正常运行，离不开管线上布设的各种附属设施，如弯头、三通、阀门等。为确保管道在各种设计工况下稳定运行，应在管道的转弯接头处设置镇墩，防止管道震动、事故水锤等对管道造成严重破坏。因此，对埋地式压力输水管线的镇墩布设进行分析研究十分重要。

2 镇墩的布置原则

埋地式压力输水管道镇墩布设应遵循以下设计原则：

1）埋地式输水管道能通过管道自身或接头配件在转弯处渐转的，尽可能不设镇墩。

2）镇墩一般布设在管道的转弯处（平面或立面），以固定管道，承受因管道内水流改变方向而产生的轴向不平衡力，不允许管道在镇墩处有变形和位移。

3）在无转角的长距离压力输水管道中，长度超过150 m 的直线管道段应设置中间镇墩。

3 镇墩的结构形式

镇墩靠自身重量与地基的摩擦保持稳定，其体积较大，强度易于满足，一般采用C20 混凝土。当管径较大、水头较高，镇墩表面需要用配温度筋时，采用C25混凝土。镇墩的结构形式有多种，按管道在镇墩中的固定方式，镇墩分为封闭式和开敞式两种。封闭式镇墩结构简单，对管道的固定效果好，应用较多；而开敞式镇墩中管壁受力不够均匀，适用于作用力不大的明管。埋地式压力输水管常采用封闭式镇墩，结构形式如图1所示。

图1 封闭式镇墩结构形式

4 镇墩的工程应用分析

镇墩在埋地式压力水管线中发挥着重要作用。在地形及管道设计压力许可条件下，管道转弯段宜优先采用接口借转代替弯头不再设置镇墩。下面结合具体工程详细分析镇墩在各种输水管道中的应用。

4.1 镇墩在PCCP 管中的应用

山西省中部引黄工程汾孝介支线输水工程承担着汾阳、孝义、介休三市的供水任务。工程布置图如图2所示。

图2 汾孝介支线输水工程布置图

压力输水管线进水池水位938.25 m，末端调流减压阀高程为852 m，地形高差86.25 m，满足自流输水要求。通过水力学计算和管材比选，确定采用DN1200 PCCP 双管输水方案，管中心间距2.2 m，设计水头均为1.2 MPa。PCCP 管为刚性管道本身不具备偏转能力，但采用单胶圈柔性接头时，DN400～DN800 接头相对转角为1.5°，DN900～DN1000 接头相对转角为1°，DN1200～DN1400 接头相对转角为0.7°；采用双胶圈柔性接头时，DN600～DN1400 接头相对转角均为1°。

输水管线优化设计后共设有142 个拐点。为确保管节间不脱开，事故水锤下输水管道正常运行，经计算并结合PCCP 管自身特点，在输水管线平面及竖向拐弯处共设C20 混凝土封闭式镇墩122 个，其余20个拐点依靠PCCP 管接头相对转角进行借转，不再设置镇墩。其中竖向镇墩48 个，尺寸为5 m×2.8 m×3.0 m（长×宽×高）；水平镇墩4 个，镇墩尺寸为4.9 m×2.8 m×5 m×3 m（底边×侧边×顶边×高）；空间镇墩70个，尺寸为4.5 m×3.3 m×5 m×4 m（底边×侧边×顶边×高）。

4.2 镇墩在球墨铸铁管中的应用

灵石东山供水县域小水网供水工程承担着灵石县工业和农业供水任务。本工程共包括总干线、聚义供水支线、厦门供水支线、玉门供水分支线及连通段支线五部分。聚义供水支线承担着聚义工业园区供水任务，工程布置如下图3所示。

图3 灵石东山供水县域小水网供水工程布置图

东山供水工程两渡分水口管径为DN1000 mm，管中心高程713.37 m，静水头为158.13 m，富余水头约为120.9 m。聚义支线末端受水点高程为889.68 m，仅靠静水压力富余水头不足以送到聚义工业园区受水点，需在管线中间设置两渡加压泵站，经过泵站加压后输送到聚义工业园。经过水力学计算及管材比选，自流段总干线采用DN1000 球墨铸铁管，设计水头1.6 MPa；聚义支线起点至两渡加压泵站采用DN800球墨铸铁管，设计水头1.6～1.3 MPa；两渡加压泵至聚义工业园出水池加压段采用DN700 球墨铸铁管，设计水头1.3～0.8 MPa。球墨铸铁管本身为柔性管道，其柔性接口均可以偏转一定角度。DN80～DN300 接口最大允许转角分别为3.5°和1.75°，DN300～DN600 接口最大允许转角分别为2.5°和1.25°，DN700～DN2600接口最大允许转角分别为1.5°和0.75°。除此之外，球墨铸铁管还可以利用标准转换接头渐变适合的转角。

结合地形条件，聚义供水支线共布设131 个拐点，为确保管线在各种设计工况下正常运行，经计算并结合球墨铸铁管自身特点，在输水管线平面及竖向拐弯处共设C20 混凝土封闭式镇墩99 个，其余32 个拐点依靠球墨铸铁管偏转角及标准转换接头进行借转，不再设置镇墩。其中竖向镇墩32 个，尺寸为1.6 m×1.8 m×1.8 m（长×宽×高）；水平镇墩6 个，尺寸为3.6 m×2 m×2.5 m×2.5 m（底边×侧边×顶边×高）；空间镇墩61 个，尺寸为3.2 m×3.5 m×4 m×3.5 m。

4.3 镇墩在PE 管中的应用

介休市洪山泉域下城南水源置换工程承担着大秦铁路股份有限公司侯马北供电段供水任务，通过压力管线引入地表水源，关闭自备井，达到关井压采水源置换的目的。本工程由干管和支管两部分组成，工程布置如图4所示。

图4 介休市洪山泉域下城南水源置换工程布置图

新建干管位于两段已建管线中间，第一段已建管线起点水位902.48 m，新建干管起点西河底阀井高程为838.12 m；新建干管末端调蓄池蓄水位811.0 m；新建干管所接已建管线末端西靳屯分水阀室高程778.29 m。新建铁路供水支线起点为干线末端西靳屯分水阀室，高程778.29 m，末端为铁路供水站内阀室，高程732.71 m，干、管支管均为自流压力管线。通过水力学计算及管材比选，干管和支管均采用DN315PE管，设计水头为分别为1.6 MPa 和0.8 MPa。PE 管本身为柔性管道，接头通常采用同材质管件热熔连接，除计算需要设计镇墩外其余情况都可依靠管材自身变形借转过度。

根据线路布置及地形条件，干管、支管拐点数分别为30 个和25 个。为确保输水管线在各种工况下都正常运行，经计算并结合PE 管自身特点确定干管、支管在平面及竖向拐弯处设C20 混凝土封闭式镇墩数分别为18 个和12 个，其余25 个拐点依靠PE 管材自身变形进行借转，不再设置镇墩。镇墩均采用对称梯形断面（底边×顶边×侧边×高），干管部分竖向镇墩4 个，尺寸为1.8 m×0.9 m×1.5 m×1.1 m，空间镇墩14 个，尺寸为2.3 m×1.6 m×1.5 m×1.3 m；支管部分，竖向镇墩4 个，尺寸为1.1 m×0.6 m×1.3 m×1 m，水平镇墩1 个，尺寸为0.6 m×0.4 m×1.1 m×1 m，空间镇墩7 个，尺寸为1 m×0.6 m×1.3 m×1.3 m。

由以上三个工程实例可知，每种管道及接头的允许转角都是有限的，设计时应充分考虑这些管材自身的特点尽量不设或少设弯头，除此之外的转角弯头均需要通过受力分析计算，确定是否需要设置镇墩。镇墩计算过程中应先确定镇墩所承受的各种荷载，然后根据不同的组合工况进行镇墩抗滑和抗倾覆计算，最终确定镇墩的结构尺寸。

5 结语

结合具体工程实例，通过对不同管材埋地式压力输水管道镇墩布置、结构形式进行分析研究，可以更深入理解镇墩的作用原理，从而更好地服务工程设计，同时还可以为以后类似工程项目设计施工提供借鉴。