劉克

（鄭州市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450006）

小型輸水工程鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析

劉克

（鄭州市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450006）

山地丘陵區(qū)，小、微型抗旱工程建設(shè)項(xiàng)目廣泛采用建設(shè)泵站提水灌溉方式，輸水干管具有流量小，揚(yáng)大的特點(diǎn)，壓力管道關(guān)鍵部位鎮(zhèn)墩對管道安全運(yùn)行非常重要。本文以低山丘陵區(qū)抗旱應(yīng)急工程設(shè)計(jì)為例，按照現(xiàn)行水利規(guī)范，結(jié)合小型農(nóng)田水利工程中壓管道的特點(diǎn)，對管道關(guān)鍵部位鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中的若干問題分析，與相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員交流探討。

壓力管道鎮(zhèn)墩；穩(wěn)定分析；探討

1　基本情況

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，干旱災(zāi)害直接威脅到國家的長期糧食安全和社會穩(wěn)定。近年來我國部分地區(qū)遭受持續(xù)干旱，己經(jīng)引起我國政府的高度重視。2013年國務(wù)院常務(wù)會議適時(shí)提出了關(guān)于用3年時(shí)間落實(shí)幾項(xiàng)從根本上提升抗旱減災(zāi)能力的工程舉措的要求，水利部會同國家發(fā)展改革委、財(cái)政部、農(nóng)業(yè)部編制完成了《全國抗旱規(guī)劃實(shí)施方案（2014-2016年）》（以下簡稱《實(shí)施方案》），要求加強(qiáng)組織領(lǐng)導(dǎo)，逐級落實(shí)工作目標(biāo)和任務(wù)，加大對抗旱減災(zāi)工作的投入，加快推進(jìn)項(xiàng)目實(shí)施，確保建設(shè)任務(wù)順利完成?！秾?shí)施方案》立足于加強(qiáng)重大骨干水源工程和抗旱應(yīng)急水源工程建設(shè)，大、中、小、微型抗旱水利工程并舉，進(jìn)一步增強(qiáng)我國重點(diǎn)旱區(qū)供水能力和抗旱減災(zāi)能力。

河南省在2014年6月份至7月份，出現(xiàn)持續(xù)高溫、少雨、干旱天氣，平均降雨量達(dá)到1951年以來最少年份，旱情持續(xù)加重，抗旱形勢十分嚴(yán)峻。其中，豫西、豫北部分丘陵崗區(qū)因缺乏灌溉條件，旱情嚴(yán)重。事實(shí)再次證明，山丘區(qū)以旱災(zāi)為主?！拔迦詹挥隇樾『?，十天不雨為大旱，半月不雨青苗黃，一月不雨禾可燎”是山丘區(qū)干旱的真實(shí)寫照。通過實(shí)施引調(diào)提水工程措施，充分、有效利用現(xiàn)有水資源，是解決山丘區(qū)水資源分布不均勻的有效的措施。

本工程的主要任務(wù)是解決干旱缺水的情況下口糧作物播種期、生長關(guān)鍵期最基本的用水問題，確保收成。工程以丁店水庫為水源，通過修建泵站提水至高位水池調(diào)蓄、配水。設(shè)計(jì)提水流量340m3/h，揚(yáng)程118.00m，輸水壓力鋼管（DN300）長1.60km，為避免對機(jī)耕道路和耕種的影響，采用地埋敷設(shè)形式，沿線根據(jù)縱、平面布置設(shè)置鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩一般布置在管道轉(zhuǎn)彎處，以承受水管改變方向而產(chǎn)生的軸向不平衡力［1］，如平面轉(zhuǎn)彎或縱向轉(zhuǎn)彎、三通、異徑管、分支管處，需根據(jù)管道壓力、管材和管徑通過管道穩(wěn)定計(jì)算來確定結(jié)構(gòu)尺寸。有工程經(jīng)驗(yàn)提出地埋壓力管道不需要設(shè)置鎮(zhèn)墩，本人認(rèn)為除巖體內(nèi)埋管和混凝土壩內(nèi)埋管不設(shè)置鎮(zhèn)墩外，其他土壤內(nèi)埋管是否需要設(shè)置鎮(zhèn)墩，應(yīng)根據(jù)不同工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件經(jīng)計(jì)算后方可確定。以下僅以本工程鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中有關(guān)參數(shù)的選擇和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)予以淺析，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供參考，交流探討。

2　荷載的選擇

本工程泵站輸水管采用鋼管，屬于壓力鋼管設(shè)計(jì)問題，其具體計(jì)算要求、理論公式及方法與水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)基本一樣，在以往實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，此類設(shè)計(jì)計(jì)算往往主要依據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》。但規(guī)范使用的條件是水電站壓力鋼管的計(jì)算，對于農(nóng)田水利灌溉工程若簡單套用，在荷載選擇上存在依據(jù)不足的問題。比如溫度荷載和土壓力荷載的計(jì)算問題。

2.1溫度荷載選擇問題

小、微型提水灌溉工程，輸水壓力管道一般沿山坡地形鋪設(shè)，沿線地形相對較水電站壓力管道線路復(fù)雜，而且為減小對當(dāng)?shù)亟煌ê透鞯挠绊?，減少永久工程占地，越來越多的農(nóng)田水利工程選擇對鋼管做防腐措施后埋設(shè)于地下?！端娬緣毫︿摴茉O(shè)計(jì)規(guī)范》中鎮(zhèn)墩的計(jì)算只是適用于明鋼管，規(guī)范中的地埋鋼管也僅指巖石中埋設(shè)的鋼管，對于土中地埋鋼管鎮(zhèn)墩的計(jì)算并未提及。對于土中埋設(shè)的壓力管道，作用于鎮(zhèn)墩上的荷載計(jì)算中是否考慮溫度荷載是工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)中經(jīng)常會產(chǎn)生疑問的地方。僅依據(jù)次規(guī)范，溫度荷載選擇上就缺乏依據(jù)。

本工程屬于農(nóng)田水利工程，泵站輸水管采用地埋壓力鋼管，屬于壓力管道設(shè)計(jì)問題，因此設(shè)計(jì)中鎮(zhèn)墩的計(jì)算依據(jù)了《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》中倒虹吸設(shè)計(jì)中的壓力管道鎮(zhèn)墩計(jì)算，雖然規(guī)范中沒有明確的荷載計(jì)算公式和穩(wěn)定計(jì)算公式，提出需依據(jù)的《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］也無寫明，但在其條文說明6.2.2條中提到了“試驗(yàn)表明，管道埋于地面下對減小溫差應(yīng)力的作用較顯著，同時(shí)試驗(yàn)還表明，當(dāng)埋深大于0.80m時(shí)減小內(nèi)、外壁溫差的作用已不明顯。因此，對于地埋管道，可不考慮管道溫度應(yīng)力影響”。規(guī)范中在“鎮(zhèn)墩計(jì)算的荷載組合”表中也明確了埋管類型的鎮(zhèn)墩計(jì)算各工況下均不需要計(jì)算外水壓力、溫度荷載。需要注意的是《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》7.3中所列“管道結(jié)構(gòu)分析的荷載組合”僅適用于管道結(jié)構(gòu)計(jì)算，并不是作用于管道鎮(zhèn)墩上的荷載組合。至此，土中地埋壓力管道鎮(zhèn)墩的計(jì)算中溫度荷載是否需要計(jì)算找到了明確依據(jù)。

因此，作者認(rèn)為對于農(nóng)田水利工程中提水泵站輸水管道，屬于壓力管道，作用于鎮(zhèn)墩上的荷載可以根據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》中倒虹吸壓力管道的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)不同工況選用。作用于壓力管道鎮(zhèn)墩上的荷載包括永久荷載和可變荷載、偶然荷載。其永久荷載包括：自重、水重、設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、外水壓力、水流離心力、土壓力、雪荷載、地面荷載、不均勻沉降力、溫度荷載；偶然荷載包括：校核內(nèi)水壓力和地震力。對于埋設(shè)在土中地埋管道類型上的鎮(zhèn)墩，在規(guī)范要求的各計(jì)算工況下均不需要計(jì)算外水壓力和溫度荷載。

2.2土壓力、雪荷載、地面荷載計(jì)算問題

目前，在壓力鋼管鎮(zhèn)墩計(jì)算中，作用于鎮(zhèn)墩上的荷載計(jì)算公式主要依據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》，但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，其中所列荷載計(jì)算公式并不能滿足實(shí)際需要，不足部分就需要按照《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》中對應(yīng)荷載計(jì)算公式列入計(jì)算。

例如，《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》中作用于地埋管道鎮(zhèn)墩上的荷載有土壓力、雪荷載、地面荷載，但《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》由于只適用于明鋼管，附錄A中無這些荷載的計(jì)算公式，這就需要依據(jù)工程實(shí)際，在鎮(zhèn)墩上下游垂直管軸方向作用力中，補(bǔ)充土壓力、雪荷載、地面荷載，計(jì)算分力，并應(yīng)在鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算中計(jì)入［3］。

管道鋪設(shè)坡度小的情況下，由于土壓力、雪荷載、地面荷載屬于鎮(zhèn)墩上下游垂直管軸方向作用力中對鎮(zhèn)墩穩(wěn)定有利的荷載，因此，對于土中地埋鋼管，如果覆土達(dá)到一定厚度，當(dāng)管道以上外荷載達(dá)到鎮(zhèn)墩穩(wěn)定所需要的自重，此時(shí)地埋管道不需要再設(shè)置鎮(zhèn)墩才是合理的。

3　鎮(zhèn)墩尺寸擬定

在市政及一般民用與工業(yè)建筑工程中，多應(yīng)用常用管材和管徑壓力管道鎮(zhèn)墩的國家標(biāo)準(zhǔn)圖集，均有相應(yīng)的內(nèi)水壓力等適用范圍。在農(nóng)田水利工程中，提水泵站輸水管道具有管線距離相對較短，壓力變化范圍相對較大的特點(diǎn)，在實(shí)際工程中，從工程經(jīng)濟(jì)角度考慮，圖集中的壓力鎮(zhèn)墩適用范圍并不能滿足所有鎮(zhèn)墩需要。這就需要對管道平面轉(zhuǎn)彎或縱向轉(zhuǎn)彎、三通、異徑管、分支管處鎮(zhèn)墩一一計(jì)算，確定安全、經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)尺寸。

在某地抗旱應(yīng)急工程的壓力管道鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)驗(yàn)算過程中，平面鎮(zhèn)墩和縱向立面鎮(zhèn)墩尺寸的選擇需要依據(jù)鎮(zhèn)墩穩(wěn)定安全系數(shù)和地基承載力綜合確定。計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，有的已擬定尺寸的鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求，但為滿足地基承載力要求，需要增加鎮(zhèn)墩寬度或者長度，但隨平面鎮(zhèn)墩和立面鎮(zhèn)墩類型不同而增加鎮(zhèn)墩尺寸的方向不同。對于平面型鎮(zhèn)墩，增加鎮(zhèn)墩垂直于管道方向的尺寸更有利于滿足地基承載力要求；而對于縱向立面型鎮(zhèn)墩，增加順管道方向鎮(zhèn)墩的尺寸對于滿足地基承載力更有效。與此同時(shí)，可通過降低鎮(zhèn)墩高度或減少另外方向的鎮(zhèn)墩尺寸，在滿足地基承載力的前提下，同時(shí)滿足鎮(zhèn)墩的抗滑和抗傾覆穩(wěn)定要求。最終選定鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸。經(jīng)復(fù)核對比，按此方法選定的鎮(zhèn)墩尺寸與壓力范圍、地質(zhì)情況等適用條件相同的圖集中鎮(zhèn)墩尺寸基本一致，可判斷擬定鎮(zhèn)墩尺寸的調(diào)整計(jì)算方法正確。

因此，在具體壓力管道鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中，需要反復(fù)試算，才能設(shè)計(jì)出既安全穩(wěn)定，又節(jié)省材料的鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸。

4　穩(wěn)定計(jì)算問題

4.1鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算內(nèi)容

根據(jù)農(nóng)田水利提灌工程提水泵站輸水管道敷設(shè)沿線地形多變，高程變化大的特點(diǎn)，根據(jù)本次工程管道鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問題，筆者認(rèn)為鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)包括：①鎮(zhèn)墩所在邊坡應(yīng)滿足《水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范》中對于土質(zhì)邊坡穩(wěn)定的規(guī)定；②鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)埋深等應(yīng)滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》高邊坡上地基基礎(chǔ)埋深等規(guī)范要求；③對鎮(zhèn)墩進(jìn)行抗滑、抗傾覆穩(wěn)定及地基強(qiáng)度驗(yàn)算。前兩條在《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》并未提及，但在工程實(shí)際中是需要復(fù)核驗(yàn)算的，這點(diǎn)需要特別注意。對于受地形條件限制，經(jīng)復(fù)核，局部邊坡存在不安全因素的，尚應(yīng)采取必要的治理和加固措施。

4.2鎮(zhèn)墩地基應(yīng)力應(yīng)滿足的標(biāo)準(zhǔn)

《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》指出“土基上的基底最大壓應(yīng)力應(yīng)小于地基允許承載力，且基底最大壓應(yīng)力與最小壓應(yīng)力之比不宜大于2.0”，與《水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的“1在各種計(jì)算情況下，擋土墻平均基底應(yīng)力不大于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力不大于地基允許承載力的1.2倍。2擋土墻基底應(yīng)力的最大值與最小值之比”［4］按工況和地基土質(zhì)不同而不大于1.5～3.0不同，對于灌溉工程輸水壓力管道上鎮(zhèn)墩地基應(yīng)力各工況需滿足的標(biāo)準(zhǔn)是一樣的，兩種水工建筑物穩(wěn)定要求有差別，這點(diǎn)在設(shè)計(jì)中需要注意。

5　結(jié)束語

以上是筆者結(jié)合某地抗旱應(yīng)急工程設(shè)計(jì)工作實(shí)際，對中、小、微型農(nóng)田水利工程提水泵站輸水管道上鎮(zhèn)墩計(jì)算中常遇到的問題所提出解決方法和幾點(diǎn)設(shè)計(jì)體會，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)同行提供參考，確保壓力管道工程安全、經(jīng)濟(jì)。

［1］左東啟，顧兆勛，王文修，等.水工設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：水利電力出版社，1989：7-192.

［2］SL482-2011.灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］SL281-2003.水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］SL379-2007.水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Analysis and Discussion on the Pier Stability of Small Water Conveyance Project

Liu Ke
（Zhengzhou Water Conservancy Construction Survey Design Institute，ZhengzhouHenan 450006）

In hilly areas，the construction of pumping water irrigation is widely used in small，micro droughtengineer?ing construction projects，water mainsand pipelines have thecharacteristics of small flow and large pressure，the key part ofpressure pipeline-town pier is very important for the safe operation of the pipeline.Theengineering design of drought emergency in a hilly area is taken as an example，according to the current water conservancy norms，com?bined with the characteristicsof pressure pipeline in small-scale water conservancy engineering，analysis on several problems inthe designof thekey part of pipeline-town pier was conducted，communicationand discussion with rele?vant engineering design personnel were carried out.

pressure pipeline pier；stability analysis；discuss

S277

A

1003-5168（2015）05-0062-3

2015-4-28

劉克（1980-），男，本科，工程師，研究方向：水利水電工程設(shè)計(jì)。