长距离高水头埋地输水管道镇墩的计算和设计优化探讨

邢 飞，崔坤明，唐 帅

(山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250013)

1 背景及目的

随着社会经济的发展以及人民生活水平的提高，长距离引水、输水工程日益增多，如为解决山区丘陵区城乡居民饮水问题的供水工程，为解决山体消防隐患问题的引水上山工程，为解决区域性缺水问题的跨流域调水工程等。对于高水头输水管道，管材多采用承压能力强的钢管，管道连接方式多为焊接；对于北方寒冷、严寒地区，考虑到管道及其相关建筑物的防冻问题，以埋地管道较为常见。此类长距离高水头埋地输水管道工程的主要构筑物涵盖了管道、泵站、水池等，其中管道工程占比重较大，管道附属构筑物中的阀井、镇墩工程量也较大。

一些山区管道镇墩的数量多达每公里数十个，混凝土镇墩的体积随着管道根数、内水压力、管径及转弯角度的增大而急剧增加，管道工程中每处三通、水平及竖向转弯的角度和压力均不同，理论上每座镇墩的尺寸各不相同，若对每座镇墩均进行单独设计，则设计及调整的工作量较大，一方面难以保证设计工作周期，另一方面难以应对施工过程中的应急调整。因此，对于绝大多数中小型管道工程的镇墩，通常根据镇墩的型式、管径、压力等级、角度等项目进行分类，按类别进行设计。分类越细，设计越经济；分类越粗，设计越保守。

由于在已建工程中往往存在着镇墩设计偏于保守[1]、各类参考手册和指导规范不统一[2]等问题，本文对现行主流计算方法及要求进行分析、归纳和总结，并从计算方法原理、设计优化建议等方面进行了计算分析，旨在梳理镇墩设计思路，并就若干问题进行探讨。

2 计算方法

2.1 现行主要计算方法

现行的主流计算方法主要在管道、泵站和电站相关图集、手册、规范中体现，3类计算方法和原理类似，分别论述如下。

管道类：图集10S505《柔性接口给水管道支墩》[10](以下简称图集)介绍了管径100～2000mm、内水压力0.8～1.1MPa、承插式及套管式柔性接口管道在水平及竖向转弯时的镇墩计算方法和设计尺寸。《给水排水设计手册(第三版—城镇给水)》[11](以下简称手册)第2.5.3节介绍了当管内水流通过承插接头的弯头、丁字支管顶端、管堵顶端等处产生的外推力大于接口所能承受的拉力时的镇墩计算。GB 50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》[12]第4.2.13条介绍了非整体连接的管道在其敷设方向改变处的抗滑稳定验算方法。

泵站类：GB/T 50265—97《泵站设计规范》第7.4.14条、第7.4.15条分别介绍了镇墩稳定计算工况和计算原则，附录C介绍了镇墩稳定计算方法；而现行的GB 50265—2010《泵站设计规范》[13]则删除了废止规范附录中的镇墩稳定计算方法，仅在第7.3.15条介绍了抗滑和抗倾覆稳定系数，在条文说明中提及荷载、荷载组合及稳定计算可采用常规的分析计算方法。

电站类：《水工设计手册》(第2版第8卷水电站建筑物)[14]第4.3.4.1节指出，镇墩设计应根据管道的满水、放空、温升、温降等情况分析各力的最不利组合，计算确定的镇墩所需的形状和尺寸，具体计算内容包括抗滑稳定计算、地基应力校核及细部结构设计，给出了抗滑和地基应力的计算公式。GB50071—2014《小型水力发电站设计规范》[15]第5.5.50条介绍了镇墩设计的基本原则。NB/T35056—2015《水电站压力钢管设计规范》[16]第6.0.2条、第6.0.7条、第6.0.14条、第6.0.15条介绍了镇墩的计算原则、稳定系数及基底应力要求，附录A介绍了荷载计算方法。

2.2 计算公式总结

各类图集、手册、规范中关于镇墩稳定计算的原理和方法是基本一致，均为力学平衡原理结合安全系数法。针对长距离高水头埋地输水管道镇墩，总结较为方便的计算公式如下：

管道截面外推力标准值：

P=0785dn2Fwd，k/1000

水平向镇墩抗推力稳定：

Fpk-Fap，k+Ffk≥KsFwp，k

Ffk=(G+W-Ffw，k)f

Fwp，k=2Psin(α/2)

垂直上弯镇墩抗推力稳定：

Fpk-Fap，k+Ffk≥KsFh

Ffk=(G+W+N-Ffw，k)f

N=Psin(α)

Fh=P(1-cosα)

垂直下弯镇墩抗推力稳定：

Ffk≥KsFh

G+W≥Kf(N+Ffw，k)

Ffk=(G+W-N-Ffw，k)f

水平向镇墩地基承载力：

G+W≤Afa

垂直上弯镇墩地基承载力：

G+W+N≤Afa

垂直下弯镇墩地基承载力：

G+W≤Afa

式中，P—管道截面外推力标准值，kN；Fwd，k—管道设计内水压力，MPa；dn—管道接口设计内径，mm；α—水平弯管的角度，垂直向上或向下弯管中心与水平线的夹角；Fpk，Fap，k—镇墩两侧的主、被动土压力标准值，kN；Ffw，k—镇墩及其顶部覆土所承受的浮托力标准值，kN；Ffk——镇墩滑动平面上的摩擦力标准值，kN；Fwp，k—水平向镇墩承受截面外推力P对镇墩产生的水压合力标准值，kN；Fh—垂直向镇墩承受水压合力产生的水平力标准值，kN；N—垂直向镇墩承受水压合力产生的垂直力标准值，kN；G—镇墩混凝土自重，kN；W—镇墩顶部覆土重，kN；f—土对混凝土镇墩底部的摩擦系数；Ks—水平向稳定系数；Kf—垂直向稳定系数。

2.3 稳定系数建议

不同规范对镇墩稳定系数的要求不同，垂直向稳定系数仅在10S505中有所要求，不小于1.1，其他资料中未见提及。参考GB 50265—2010及GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中对泵房及建筑物基础抗浮稳定安全系数的要求(1.05～1.10)，笔者认为，对于刚性输水管道，垂直向稳定系数Kf取1.1是合适的。

水平向稳定系数在多本文献中作了要求，具体见表1。

表1 各文献水平向稳定系数统计表

其中，图集[10]、手册[11]、规范[12]是针对柔性接口管道镇墩提出的，不完全适用于刚性接口管道镇墩的情况；手册[14]主要针对大中型水电站建筑物而言，安全系数比较高。规范[13]和规范[16]要求的水平向稳定系数较为接近，规范[13]相关的条文说明提到该稳定系数与《公路桥涵地基与基础设计规范》中墩台或挡土墙的稳定系数是一致的；规范[16]相关的条文说明提到该稳定系数是参考了《建筑地基基础设计规范》、《水闸设计规范》、《水电站厂房设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》等规范以及其他因素确定的。笔者认为，对于刚性输水管道，水平向稳定系数Ks按GB 50265—2010[13]取值是合适的。

3 镇墩设计时常见问题的探讨

针对本文重点论述的长距离、高水头埋地输水管道镇墩，在总结计算公式之前，探讨几点因素。

3.1 关于土压力的探讨

图集[10]中对于水平弯管和垂直上弯管镇墩的水平向稳定计算考虑了土压力，但对于垂直下弯管的水平向稳定计算并为考虑；文献[8]探讨了垂直下弯管道不计入有益土压力是出于安全考虑，因镇墩顶部覆土厚度较小，在侧边受到挤压还未达到被动土压力时，镇墩上方土体可能已经发生剪切破坏。GB 50265—2010第7.3.8条除水压试验和施工工况外均考虑了土压力。

本文以某工程长方体形状镇墩为例，就是否考虑顺向及侧向土压力、顺向土压力折减等情况，选取竖直下弯管道、垂直上弯管道及水平弯管进行计算和分析。管道管径0.4m，弯管角度45°，设计内水压力6MPa，镇墩顶部覆土0.5m，回填土的综合内摩擦角25°，回填土的重度18.5kN/m3，混凝土与土之间的摩擦系数0.25，地基承载力特征值120kPa，无地下水。以镇墩长宽高形状协调为宜，分别设计了各工况的镇墩尺寸进行比较分析。工况组合见表2，设计和计算成果见表3。

表2 工况组合表

对于埋地管道镇墩，土压力是不可忽略的。由表3分析可知：①沿管道外推力作用方向(顺向)前部的被动土压力与后部的主动土压力之差是对镇墩有益的作用力，垂直管道外推力方向(侧向)的土压力对镇墩产生的侧向摩擦力也是有益的，但后者数值往往偏小，对稳定起的有利作用较小，可以忽略。②设计中考虑顺向土压力后，可大大减小镇墩体积，节省工程投资。③考虑顺向土压力折减后，镇墩体积相较不折减的工况并未增加太多，结合回填土质量等因素考虑，建议对顺向有益土压力进行折减，以保证工程安全，折减系数可根据地区经验和习惯取值，同时应对回填土指标提出严格要求。④举例工程中，垂直上弯镇墩的设计控制因素是地基承载力，此时调整镇墩长宽的效果是明显的，要尽量控制镇墩高度的增加以减小基底应力。⑤为充分利用有益土压力，可考虑优化镇墩形状，尽量增大土压力受力面的尺寸。

表3 设计和计算成果表

3.2 关于管道传力的探讨

GB/T 50265—97介绍了承插式接口的柔性管道镇墩在管道接口处的摩擦力计算，并受到温度作用的影响。而对于刚性连接的埋地输水管道，受温度作用较小，一般可不考虑温度作用力；在进行稳定计算时，由于没有就近的承插式接头，管道自身也承担了部分轴向拉力；同时，管道与基础、回填土之间也存在摩擦力作用。管道自身的轴向拉力和管道与基础、回填土之间的摩擦力对镇墩稳定都是有利的，但目前缺乏此类研究，不易量化，不建议将其作为有益作用力计算在内，而是作为安全储备考虑。

3.3 关于抗倾覆稳定的探讨

GB 50265—2010对抗倾覆稳定系数作了要求；手册[14]提到，高陡倾角的镇墩不仅进行抗滑稳定计算，还进行抗倾覆稳定验算，其他图集、手册、规范中未对抗倾覆稳定作出要求。文献[4]认为，重力坝、砌石坝规范已取消抗倾覆稳定计算内容，因为只要坝基应力满足规范控制要求，即可满足抗倾覆稳定要求，镇墩设计可参考取消抗倾覆稳定验算。因此对于常见的形状规则的镇墩，只要合理控制重心，使设计镇墩基底应力尽量均衡，在镇墩设计时可取消抗倾覆稳定验算，减少设计工作量。

4 结语

针对以上探讨的几个问题，在进行刚性连接的埋地输水管道镇墩稳定计算时，建议考虑沿水流方向的主动和被动土压力，并对有益的被动土压力进行一定的折减；可不考虑管道传力影响；可不进行抗倾覆稳定验算，但要合理控制重心，使设计镇墩基底应力尽量均衡。

镇墩的设计和计算受管道根数、管径、压力、角度等多方面影响，设计时需同时满足水平向稳定、竖向稳定及地基承载力等控制指标，不同条件下起决定因素的控制指标不同，在进行尺寸试算时需注意摸索其规律。