本篇水利論文范文探討供水管道的鎮墩的穩定性計算辦法，鎮墩是供水工程中非常重要的角色，對管道的安全運行有重要的作用。以南水北調工程為例，給出了常見典型鎮墩的結構形式，對四種典型受力分析及穩定驗算進行全面闡述，這對輸水管線鎮墩選型及理論分析有重要的參考意義。
推薦期刊：《南水北調與水利科技》(雙月刊)1977年創刊，國內外公開發行，主要刊登水科學、水工程、水資源、水管理等方面的論文，并以全新的理念指導辦刊，刊物總體質量不斷提升，現成為中國科技核心期刊。以舉世矚目的南水北調工程為辦刊主體，宣傳南水北調工程的偉大意義，回顧南水北調工程的歷史背景，追蹤南水北調工程的最新動態，反映南水北調工程的熱點、難點問題，展現南水北調工程的技術創新成果。從而促進水利科技學術交流，提高水利科技水平，推動水利現代化。
鎮墩是供水管道工程中常見而又非常重要的構筑物，對管道的安全運行有非常重要的作用。對常見的鎮墩類型進行歸納，提出四種典型鎮墩形式，并對其進行受力分析及穩定計算。以南水北調中線配套工程為例，給出四種典型鎮墩結構形體，并以管線中最常用的水平彎管鎮墩進行求解計算，采用相關參數，滿足穩定計算，最終給出合理尺寸。對供水工程中鎮墩選型及理論分析有重要的參考意義。
關鍵詞：供水管道;構筑物;典型鎮墩;受力分析;穩定計算
隨著城鎮化進程的不斷加快，城鎮對水的需求量劇增，管道供排水工程成為城鎮正常運轉的重要保障。一般將鎮墩布置在管道平面轉彎或縱向轉彎、三通、分支管處等，以承受管道改變方向而產生的不平衡推力。
[JP+1]根據鎮墩在供水工程中不同部位，結構形式，功能需要不同，可以分為四種典型鎮墩：水平彎管鎮墩、三通管道鎮墩、垂直向上彎管鎮墩、垂直向下彎管鎮墩等。鎮墩一般靠自重來保持穩定，采用混凝土澆制，強度易于滿足，對鎮墩的設計側重于穩定計算。鎮墩的穩定計算主要包括抗滑移、抗傾覆、地基承載力和沉降計算四個方面。一般情況下鎮墩為整體結構，且形狀較為寬矮，一般不會產生不均勻沉降。為了使地基受力均勻，都要求合力作用點在基礎底面的中三分點以內，抗傾覆力矩較大，因而鎮墩的抗傾覆計算較易滿足。文章對四種典型鎮墩計算理論進行系統的總結與梳理，并以南水北調中線配套工程為例，對水平彎管鎮墩進行受力分析，為此類供水工程的鎮墩計算有重要參考價值。[HJ]
1鎮墩受力分析
鎮墩承受的荷載主要包括：管道外推力、管道結構自重、管中的水重、鎮墩自重、上部覆土荷載、主動及被動土壓力等。
1.1管道外推力分析
輸水管道外推力主要是由內水壓力、水流離心力、水流與管壁摩擦力、因溫度變化而產生的應力等荷載組成;對于埋地管道，溫度變化不大，溫度應力可忽略不計，而水流的離心力、水流與管壁的摩擦力等載荷與內水壓力相比都比較小，也可忽略不計，因此外推力R主要由內水壓力產生的。
1.1.1管道截面外推力標準值
F=0785D2nFwd.k[JY](1)
式中：F為管道截面外推力標準值：Dn為管道設計內徑;Fwd.k為管道設計內水壓力。
1.1.2鎮墩所受外推力標準值
鎮墩所受外推力是由管道不平衡推力產生的，四種典型鎮墩所受外推標準值如下。
(1)水平彎管鎮墩。
Fwd.k=2Psin([SX(]α[]2[SX)])[JY](2)
式中：α為彎管的角度。
(2)三通管道鎮墩。
Fwd.k=Psin(α)[JY](3)
式中：α為主管和支管夾角。
(3) 垂直向上或向下彎管鎮墩。
Fwd.k=2Psin([SX(]α[]2[SX)])[JY](4)
水平分力：Fh=Fwd.ksin([SX(]α[]2[SX)])[JY](5)
垂直分力：N=Fwd.kcos([SX(]α[]2[SX)])[JY](6)
式中：α為垂直向上(下)彎管中心線與水平線的夾角;Fh為垂直向上(向下)彎管鎮墩承受水壓力產生的水平分力;N為垂直向上(向下)彎管鎮墩承受水壓力產生的水平分力。
1.2鎮墩所受豎向力標準值
鎮墩所受豎向力主要包括：管道結構自重、管中的水重、鎮墩自重、上部覆土荷載等。除此之外，垂直向上(向下)彎管鎮墩還受到水推力產生的豎向分力。
(1)管道結構自重標準值G1k。
G1k=γstπD0t[JY](7)
式中：D0為管道的計算直徑，按圓心至管壁中線計算;t為管道設計厚度;γst為管材重度。
(2)管道內水的重量Gwk。
Gwk=[SX(]π[]4[SX)]dn2γw[JY](8)
式中：γw為水重度;dn為管道設計內徑。
(3)鎮墩的重量Gz。
Gz=(BH-π[SX(]D21[]4[SX)])γc[JY](9)
式中：B為鎮墩寬度;H為鎮墩高度;D1為管道外徑;γc為混凝土重度。
(4)鎮墩頂部覆土的重量W。
W=γs2Bh1[JY](10)
式中：γs2為鎮墩頂部覆土重度;h1為鎮墩頂在設計地面以下的深度。
(5)鎮墩及其頂部覆土所受浮托力標準值Ffw.k。
Ffw.k=γwB(h2-hw)[JY](11)
式中：h2為鎮墩底在設計地面以下的深度;hw為地下水位在設計地面以下的深度。
鎮墩所受豎向力(除豎向鎮墩所受水推力豎向分力之外)標準值G如下：
G=G1k+Gw k+Gz+W-Ffw.k[JY](12)
1.3鎮墩滑動平面上摩擦力標準值
鎮墩滑動平面上摩擦力主要鎮墩所受豎向力產生。有地下水時考慮地下水產生的浮力，無地下水時，不考慮浮力。垂直向上彎管鎮墩受到水推力產生的豎向分力方向N向下，垂直向下彎管鎮墩受到水推力產生的豎向分力方向N向上。四種典型鎮墩，其摩擦力標準值如下。
(1)水平彎管鎮墩和三通鎮墩滑動平面上摩擦力標準值Ffk。
Ffk=GLf[JY](13)
(2) 垂直向上彎的彎管鎮墩滑動平面上摩擦力標準值Ffk。
Ffk=(G+N)Lf[JY](14)
(3)垂直向下彎的彎管鎮墩滑動平面上摩擦力標準值Ffk。
Ffk=(G-N)Lf[JY](15)
式中：L為鎮墩中心線長度;f為混凝土鎮墩底部與土壤之間的摩擦系數。
1.4鎮墩承受土壓力的計算
鎮墩所受土壓力推力側為主動土壓力，抗推力側為被動土壓力。水平彎管鎮墩和三通管道鎮墩考慮主動土壓力及被動土壓力。垂直向上或向下彎管鎮墩本次計算中不考慮土壓力，把土壓力作為安全儲備。土壓力考慮無地下水和有地下水兩種情況。
(1)無地下水時鎮墩所受土壓力。
a. 鎮墩迎推力側的主動土壓力標準值Fep.k：
Fep.k=[SX(]1[]2[SX)]γs1(h22-h21)tan2(45°-[SX(]φ[]2[SX)])L1[JY](16)
b. 鎮墩抗推力側的被動土壓力標準值Fpk：
Fpk=[SX(]1[]2[SX)]γs1(h22-h21)tan2(45°+[SX(]φ[]2[SX)])L2[JY](17)
(2) 有地下水時鎮墩所受土壓力：
a. 鎮墩迎推力側的主動土壓力標準值Fep.k：
Fep.k=[SX(]1[]2[SX)]γs(h22-h21)+(h2-h1)·(γs1-γs′)
tan2(45°-[SX(]φ[]2[SX)])L1[JY](18)
b. 鎮墩抗推力側的被動土壓力標準值：
Fpk=[SX(]1[]2[SX)]γs(h22-h21)+(h2-h1)·(γs1-γs)
tan2(45°+[SX(]φ[]2[SX)])L1[JY](19)
式中：γs1為地下水位以上的原狀土重度;γs為地下水位以下土的有效重度;φ為土壤等效內摩擦角;L1為迎推力側鎮墩長度;L2為抗推力側鎮墩長度。
2抗滑穩定驗算
鎮墩的滑動力是由管道的外推力產生的，而鎮墩的抗滑力是由鎮墩與土壤的摩擦力及土壓力來維持穩定的。鎮墩承受的各種力(管道外推力、管道結構自重、管中的水重、鎮墩自重、上部覆土荷載、主動及被動土壓力等)的作用下，鎮墩抗滑穩定系數Kc應大于等于允許抗滑穩定安全系數Ks=15，從而使所在管段不發生滑動。一般被動土壓力不能完全利用，本次計算對被動土壓力進行折減，折減系數為040。
(1) 水平彎管鎮墩和三通管道鎮墩推力穩定驗算。
Kc=[SX(]04Fpk-Fep.k+Ffk[]Fwp.k[SX)][JY](20)
(2) 垂直向上彎或下彎的彎管鎮墩推力穩定驗算。
Kc=[SX(]Ffk[]Fh[SX)][JY](21)
本次計算垂直向上(向下)彎管鎮墩不考慮主動土壓力和被動土壓力，把土壓力作為安全儲備。
3地基應力計算
鎮墩基底應力計算公式如下：
Pmaxmin=[SX(]G±N[]A[SX)]±[SX(]∑M[]W[SX)][JY](22)
式中：Pmaxmin為鎮墩基底應力的最大值或最小值; A為鎮墩底面積;∑M為鎮墩上的各作用力對鎮墩底面形心的彎距總和;w為鎮墩底面的形心軸截面距。
對地基應力要求：鎮墩平均基底應力不大于地基允許承載即力P≤[P]，最大基底應力Pmax≤12[P];基底不應出現拉應力即最小值Pmin≥0;基底應力不均勻系數不大于規范允許值，Pmax/Pmin≤[η]。
當基底應力不能滿足要求時，可以調整鎮墩尺寸，即增大底板面積或減小鎮墩高度均能減小基底應力及其不均勻系數。
4抗傾覆穩定計算
鎮墩抗傾覆穩定計算公式如下：
ζ=[SX(]MD[]MQ[SX)][JY](23)
式中：ζ為抗傾系數;MD為鎮墩抗傾力矩總和;MQ為傾覆力矩總和。鎮墩抗傾系數不小于允許抗傾系數值，即ζ≥[ζ]，[ζ]取值為20。
5工程案例
南水北調工程是迄今為止世界上最大的水利工程，是優化我國水資源配置的重大倡議性基礎設施，對整個國民經濟發展具有十分重大的意義。南水北調中線工程主要由總干渠主體工程、供水配套工程、城市管網工程三部分組成。鶴壁市供水配套工程是河南省受水區供水配套工程的組成部分，共設置分水口門3座，涉及5個縣(區)，分別為34號分水口門向淇縣水廠、鐵西水廠供水，35號分水口門向鶴壁市第四水廠、浚縣水廠供水，36號分水口門向鶴壁市金山水廠、鶴壁市第三水廠供水。
其中鶴壁市35號供水管線主管為DN 3000 mm的PCCP管，長度大約32 km，設計流量為13 m3/s，設計壓力06 Mpa。由于管線長度大、地形復雜、轉角多，因此在管線沿途在平面轉彎或縱向轉彎、三通、分支管處等埋設多個鎮墩。鎮墩類型有水平彎管鎮墩、三通管道鎮墩、垂直向上彎管鎮墩、垂直向下彎管鎮墩等，其結構形式見圖1～4，鎮墩位置采用鋼制管件。鎮墩底部布置有100 mm厚的C10混凝土墊層。以水平彎管鎮墩為例，其平面、剖面見圖5、圖6。
5.1鎮墩計算參數
35號供水管線，地下水比較深，按無地下水計算，土壤等效內摩擦角，鎮墩底與土壤之間摩擦系數，選取常用的水平彎管鎮墩進行分析，其他類型鎮墩可以做類似計算，計算參數見表1。
5.2鎮墩計算尺寸
DN3000水平彎管鎮墩，采取表1的計算參數，依照鎮墩理論分析，在滿足鎮墩抗滑穩定、抗傾覆穩定、地基承載力計算的前提下，擬定的鎮墩尺寸及混凝土用量見表2。
5.3鎮墩穩定分析
[JP+1]對DN 3000的水平彎管鎮墩進行受力分析，最終計算出鎮墩抗滑安全系數、地基應力及抗傾系數，計算結果見表3。
6結語
本文選取常用的水平彎管鎮墩進行分析，其他類型鎮墩可以做類似計算，從以上分析可以看出：(1)選取合適的鎮墩尺寸，經過計算能夠滿足抗滑穩定、地基應力、抗傾覆穩定的要求。(2)相同管徑、設計壓力及覆土厚度相當的條件下，鎮墩尺寸隨彎曲角度的增大而增大，混凝土用量也相應增加。(3)典型鎮墩形體采用對稱布置，滿足合力作用點在鎮墩底寬的三分點以內，不會出現傾覆，可不進行抗傾覆穩定計算。因此鎮墩設計過程中起控制作用的因素經常是抗滑穩定計算和地基應力計算。(4)由于鎮墩尺寸比較大，鎮墩可以采用C25鋼筋混凝土，為了防止鎮墩表面被拉裂，鋼制管件跟鎮墩接觸部分采用受力鋼筋，鎮墩表面設置構造鋼筋網。(5)對于鎮墩抗推力側被動土壓實力折減系數跟鎮墩的位移量有關，其影響因素是個值得研究的課題，需進一步深入研究。
鎮墩對管道的安全運行有非常重要的作用，必須重視鎮墩的作用。鎮墩穩定計算過程一般是采取相關計算參數，在滿足抗滑穩定、地基應力、抗傾覆穩定等計算條件下，擬定合理尺寸，并盡可能地減少鎮墩體積，降低工程造價。
