压力钢管镇墩裂缝成因与防治措施

陈艺超

（缙云县水务投资有限公司，浙江 缙云 321400）

1 问题的提出

镇墩主要位于管道水平转角，是为解决管线在投入使用后发生位移而设置的一种水工建筑物，镇墩通常用混凝土浇筑而成[1]。通常情况下，镇墩布设在管道转折处，当直线管道过长时，也会选择在管道中间处布设镇墩[2]。镇墩所起作用明显，但管道所受的作用力是多方的，属于一种联合作用力。一旦作用力超出镇墩自身可承载范围，不仅会出现应力结构变形的问题，同时也会因作用力的影响而出现镇墩裂缝[3]。当压力钢管镇墩出现裂缝后，水管将发生开裂，从而影响水电站或水利工程的持续运行[4]，因此，相关压力钢管镇墩裂缝的研究十分重要。但研究中发现，部分水利单位在出现压力钢管镇墩裂缝问题时，仅对其进行简单的填补，没有从根本上解决问题。因此，本文将在相关研究的基础上，对压力钢管镇墩裂缝的成因进行综合分析，提出解决镇墩裂缝的防治方法。

2 压力钢管镇墩裂缝成因

2.1 压力钢管镇墩受力分析

为进一步掌握压力钢管镇墩裂缝的成因，需要对镇墩受力进行计算分析。在计算分析前，应掌握镇墩在结构中的负载受力[5]。图1 为某压力钢管镇墩的负载受力图。

图1 压力钢管镇墩的负载受力图 单位：mm

镇墩结构在施工过程中受到的负载压力为：

式中：FS为镇墩结构在施工过程中受到的负载压力（MPa）；a为镇墩水平管重（kg）。在此基础上，镇墩结构投入使用后受到的负载压力为：

式中：FZ为镇墩结构投入使用后受到的负载压力（MPa）；b为弯管水重（kg）。综合工程地基表面垂直应力、整体结构安全稳定系数的确定，可得出镇墩结构在压力作用下的基础偏心面距离[6]。表1 为某压力钢管镇墩偏心面距离计算结果。

表1 压力钢管镇墩偏心面距离计算结果表

由表1 可知：压力钢管镇墩在投入使用过程中，其基础抗滑能力与强度承载力可满足工程实际需求[7]。地基面的压力在距离压力钢管镇墩底部距离最近时较高，并且也相对小于C20 结构混凝土的压力承载值[8]。此时，在施加联合作用力的情况下，压力钢管镇墩的偏心距离相对较小，因此压力钢管镇墩的地面结构不会受到拉应力的影响，此种情况不作为镇墩自身承载强度的计算范围[9]。并且，镇墩配筋只要按照应力钢筋需求布设即可（除镇墩自身内部管道弯曲部分）。

2.2 结合镇墩负载能力输出裂缝形成边界条件

在完成压力钢管镇墩受力的分析后，需要结合镇墩自身的负载能力，明确裂缝形成的边界条件，并采用建立空间函数的方式，对裂缝边界进行弹性分析[10]。在空间弹性表达函数中，将每一个块体作为一个单元，并在此过程中考虑到在镇墩施工期与镇墩投入使用期2 个阶段，内外部存在温差（温差约10.0℃）。以此输出压力钢管镇墩裂缝形成的边界条件：基础镇墩为无重力弹性支撑体，底部位置为固结单位，Z方向受到2 个法向约束力，垂直面X表示为自由面[11]。此时，镇墩的负面则可以表示为法向约束面，而镇墩外部表层均可定位为自由面。

在不考虑温度应力的条件下，可对X、Y、Z3 个受力面的最大拉应力进行分析[12]。但在镇墩外部表层区域的拉应力检测中，仍发现存在不规则作用力。此时，输出镇墩外部与内部结构之间拉应力的差值，根据差值的大小，评估压力钢管镇墩裂缝数量，以此完成对其裂缝成因的提取。

3 压力钢管镇墩裂缝防治方法设计

3.1 合理裂化范围

为解决压力钢管镇墩裂缝问题，根据镇墩实际使用需求，对镇墩合理裂化范围进行计算[13]。在此过程中，需要先考虑压力钢管镇墩内流体介质的含量，在镇墩结构受力层面分析，一旦流体存在较高的含碱物质量时，镇墩便会受到流体的侵蚀。因此，要解决镇墩裂缝问题，还需要对镇墩允许开裂结构现象进行分析。

以钢管16.0#镇墩为例，根据相关公式计算可得，钢管可承受的内部最高水压在9.0～10.0 MPa，镇墩混凝土方量为450.0 m3，镇墩混凝土的最大环向应力在3.0～4.0 MPa[14]。根据工程要求计算需配备的镇墩钢筋质量，即镇墩钢筋长度、镇墩钢筋内管直径、流体流速和流体介质密度的乘积，其计算公式为：

式中：m为镇墩钢筋质量（kg）；A为镇墩钢筋长度（m）；B为镇墩钢筋内管直径（m）；P为流体流速（m/s）；ρ为流体介质密度（kg/m3）。

压力钢管镇墩在发生开裂时还受到钢管内力的影响，在投入使用过程中，压力钢管镇墩仅起到部分压力支撑作用，并未起到拉应力作用。因此，当压力钢管镇墩受到的拉应力超出其可承受的极限范围后，镇墩将发生开裂。而大部分施工方为避免开裂问题，选择在布设压力钢管镇墩过程中，为其配备对应的钢筋作为支撑[15]。因此，要掌握压力钢管镇墩的合理裂化范围，需要对外部钢筋可承受的拉应力范围进行分析。从管内水压与钢筋数量层面（包括结构钢筋数量），基于流体动力学，对外部钢筋可承受的拉应力进行计算，计算公式为：

式中：f(x)为外部钢筋可承受的拉应力（MPa）；D为压力钢管直径极值范围（m）；c为构造作用力（MPa）；y为管内水压（MPa）；s为钢筋数量（个）。输出f(x)的具体值，以此作为压力钢管镇墩可承受作用力的取值范围，从而完成对合理裂化范围的导出。

3.2 镇墩裂缝细部处理

在完成对压力钢管镇墩合理裂化范围的计算后，需要综合镇墩结构，对其细部结构进行处理，以解决压力钢管镇墩裂缝问题。

当镇墩结构整体在内水压力作用下，外部混凝土结构将先感应到内部结构的变化。在此条件下，镇墩结构承载力薄弱区域（通常镇墩承载力薄弱区域位于沿管线的纵向水平方向），可能会产生细微裂缝，但由于此种裂缝整体较微弱，因此在测定或后期养护的过程中，极易忽视此部分裂缝。尤其在镇墩上部呈现凸起后，除了内部水压力产生环向外应力外，压力钢管对镇墩施加的作用力还可以被划分为水平层面的分力与垂直层面的向上作用力。当镇墩在受力管线轴上所承受的重力大于向上分作用力时，镇墩整体结构较为稳定，即不需要进行细部处理[16]。反之，当镇墩在受力管线轴上所承受的重力小于向上分作用力时，镇墩整体结构稳定性较差，需要在其细部配置局部钢筋作为支撑，此种处理方式即为对镇墩的细部处理。以压力钢管16.0#镇墩为例，在管内流体流速发生变化时，垂直向上的分力应呈现一种受力上升的趋势。此时，在镇墩结构外部布设钢筋的重量计算公式为：

式中：Ag为镇墩结构外部布设钢筋的质量（kg）；K为镇墩细部设计安全系数；Fc为镇墩结构在垂直向上时的分作用力（MPa）；Gz为镇墩结构在中心线以上的重力（kg）；γ为布设钢筋的设计强度（MPa）。根据式（5）输出Ag的实际值，当压力钢管镇墩存在可承受压力超出其极限负载范围时，对外部进行钢筋布设。以此提高压力钢管镇墩整体结构的稳定性，从而完成压力钢管镇墩裂缝的细部处理。

4 仿真实验分析

以某工程建设项目为例，针对该项目中的压力钢管镇墩建筑物在施工过程中出现的裂缝问题，分别采用压力钢管镇墩裂缝防治方法和传统防治方法进行处理，以此验证2 种防治方法的实际效果。该工程项目共包含2 条压力钢管，设计引用流量为2.85 m3/s，结构参数均完全相同，直径为1 200 mm，长度为2 520 m，共设置镇墩建筑物10 个。工程实施过程中，镇墩压力钢管已产生垂直方向上的裂缝，但裂缝的长度均未超过规定的控制要求，所有裂缝均正常，可进行后续的施工操作。但为保证施工整体质量和安全，仍采用2 种不同的治理方法分别对镇墩裂缝进行防治。利用本文防治方法对项目中的5 个镇墩裂缝进行防治，并将其设置为实验组；利用传统防治方法对另外5 个镇墩裂缝进行防治，并将其设置为对照组。从再次出现裂缝的数量和最长裂缝长度变化情况分析2 种方法的效果。实验组与对照组比较结果见表2。

表2 实验结果对照表

从表2 可看出，对照组在第15 天已经出现6 条长度不等的裂缝，并且最长裂缝长度为16.54 mm，在后续记录当中裂缝数不断增加，并且裂缝呈现明显增长的趋势。而实验组仅在第45 天开始出现1 条裂缝，并且在后续记录当中裂缝长度并没有进一步延长，说明已得到有效控制。同时，实验组最长裂缝长度符合不超过9.00 mm 的要求，对工程施工质量不会造成影响。因此，通过对比实验证明，本文提出的压力钢管裂缝防治方法在实际应用中能有效填补裂缝，并且能减少裂缝再次出现的数量，裂缝长度也能有效控制。

5 结语

从计算压力钢管镇墩受力、镇墩负载能力输出裂缝形成边界条件等2 方面因素，对压力钢管镇墩裂缝成因进行提取，并结合镇墩使用需求计算合理裂化范围，处理压力钢管镇墩裂缝细部，解决钢管镇墩裂缝问题。此外，通过设计的对比实验证明，提出的压力钢管镇墩裂缝防治方法，能有效填补裂缝，并且能减少裂缝再次出现的数量，对已经出现的裂缝长度也能有效控制。相比传统方法，实用性与价值性更高。