压力管道镇墩计算若干问题浅析

【摘 要】近年来，我国部分地区持续干旱，抗旱工程建设项目随之的陆续开展，中、小、微型农田灌溉水利工程所占比例较大。切实解决地区干旱缺水问题，对科学规划工程布局，合理确定实施方案提出了更高的要求。而在山地丘陵区，农田灌溉取水广泛采用建设泵站提水灌溉方式，上水管道一般具有流量小，提水扬大的特点，少则60m，高则百余米，压力管道关键部位镇墩设置对管道运行安全显得尤其重要。本文仅以某镇抗旱应急工程设计为例，按照现行水利规范，结合农田水利工程中压力管道的特点，对管道关键部位镇墩设计中若干问题浅析，以此与相关工程设计人员交流探讨。

【关键词】压力管道镇墩；设计浅析

1基本情况

我国是一个农业大国，干旱灾害直接威肋到国家的长期粮食安全和社会稳定。近年来我国部分地区遭受持续干旱，己经引起我国政府的高度重视。2013年国务院常务会议适时提出了关于用3年时间落实几项从根本上提升抗旱减灾能力的工程举措的要求，水利部会同国家发展改革委、财政部、农业部编制完成了《全国抗旱规划实施方案（2014-2016年）》（以下简称《实施方案》），要求加强组织领导，逐级落实工作目标和任务，加大对抗旱减灾工作的投入，加快推进项目实施，确保建设任务顺利完成。《实施方案》立足于加强重大骨干水源工程和抗旱应急水源工程建设，大、中、小、微型抗旱水利工程并举，进一步增强我国重点旱区供水能力和抗旱减灾能力。

河南省在2014年6月份至7月份，出现持续高温、少雨、干旱天气，平均降雨量达到1951年以来最少年份，旱情持续加重，抗旱形势十分严峻。其中，豫西、豫北部分丘陵岗区因缺乏灌溉条件，旱情严重。事实再次证明，山丘区以旱灾为主。“五日不雨为小旱，十天不雨为大旱，半月不雨青苗黄，一月不雨禾可燎”是山丘区干旱的真实写照。通过实施引调提水工程措施，充分、有效利用现有水资源，是解决山丘区水资源分布不均匀的有效的措施。

某镇抗旱应急工程位于低山丘陵区，地势西部高，北、东、南三面低，居民饮水和灌溉水源依靠井水，近年来由于干旱地下水位下降，水井出水量已不能满足当地生活、生产需要。本次工程的主要任务是解决干旱缺水的情况下口粮作物作物播种期、生长关键期最基本的用水问题，确保收成。工程以当地水库为水源，通过修建泵站提水至高位水池调蓄、配水。设计提水流量340m3/h，扬程118.0m，提水采用DN300压力钢管，为避免对机耕道路和耕种的影响，采用地埋敷设形式，沿线根据纵、平面布置设置镇墩。镇墩一般布置在管道转弯处，以承受水管改变方向而产生的轴向不平衡力[1]，如平面转弯或纵向转弯、三通、异径管、分支管处，需根据管道压力、管材和管径通过管道稳定计算来确定结构尺寸。有工程经验提出地埋压力管道不需要设置镇墩，本人认为除岩体内埋管和混凝土坝内埋管不设置镇墩外，其它土壤内埋管是否需要设置镇墩，应根据不同工程特点和地质条件经计算后方可确定。以下仅以本工程镇墩设计中有关参数的选择和结构尺寸设计予以浅析，为相关工程设计人员提供参考，交流探讨。

2荷载的选择

本工程泵站输水管采用钢管，属于压力钢管设计问题，其具体计算要求、理论公式及方法与水电站压力钢管设计基本一样，在以往实际设计工作中，此类设计计算往往主要依据《水电站压力钢管设计规范》。但规范使用的条件是水电站压力钢管的计算，对于农田水利灌溉工程若简单套用，在荷载选择上存在依据不足的问题。比如温度荷载和土压力荷载的计算问题。

2.1温度荷载选择问题

小、微型提水灌溉工程，输水压力管道一般沿山坡地形铺设，沿线地形相对较水电站压力管道线路复杂，而且为减小对当地交通和耕作的影响，减少永久工程占地，越来越多的农田水利工程选择对钢管做防腐措施后埋设于地下。《水电站压力钢管设计规范》中镇墩的计算只是适用于明钢管，规范中的地埋钢管也仅指岩石中埋设的钢管，对于土中地埋钢管镇墩的计算并未提及。对于土中埋设的压力管道，作用于镇墩上的荷载计算中是否考虑温度荷载是工程技术人员在设计中经常会产生疑问的地方。仅依据次规范，温度荷载选择上就缺乏依据。

本工程属于农田水利工程，泵站输水管采用地埋压力钢管，属于压力管道设计问题，因此设计中镇墩的计算依据了《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》中倒虹吸设计中的压力管道镇墩计算，虽然规范中没有明确的荷载计算公式和稳定计算公式，提出需依据的《泵站设计规范》[2]P52也无写明，但在其条文说明6.2.2条中提到了“试验表明，管道埋于地面下对减小温差应力的作用较显著，同时试验还表明，当埋深大于0.8m时减小内、外壁温差的作用已不明显。因此，对于地埋管道，可不考虑管道温度应力影响”[3]。规范中在“镇墩计算的荷载组合”表中也明确了埋管类型的镇墩计算各工况下均不需要计算外水压力、温度荷载。需要注意的是《泵站设计规范》7.3中所列“管道结构分析的荷载组合”仅适用于管道结构计算，并不是作用于管道镇墩上的荷载组合。至此，土中地埋压力管道镇墩的计算中温度荷载是否需要计算找到了明确依据。

因此，作者认为对于农田水利工程中提水泵站输水管道，属于压力管道，作用于镇墩上的荷载可以根据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》中倒虹吸压力管道的相关规定，根据不同工况选用。作用于压力管道镇墩上的荷载包括永久荷载和可变荷载、偶然荷载。其永久荷载包括：自重、水重、设计内水压力、外水压力、水流离心力、土压力、雪荷载、地面荷载、不均匀沉降力、温度荷载；偶然荷载包括：校核内水压力和地震力[4]P46-47。对于埋设在土中地埋管道类型上的镇墩，在规范要求的各计算工况下均不需要计算外水压力和温度荷载。

2.2土压力、雪荷载、地面荷载计算问题

目前，在压力钢管镇墩计算中，作用于镇墩上的荷载计算公式主要依据《水电站压力钢管设计规范》，但在实际工程设计中，其中所列荷载计算公式并不能满足实际需要，不足部分就需要按照《水工建筑物荷载设计规范》中对应荷载计算公式列入计算。

例如，《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》中作用于地埋管道镇墩上的荷载有土压力、雪荷载、地面荷载，但《水电站压力钢管设计规范》由于只适用于明钢管，附录A中无这些荷载的计算公式，这就需要依据工程实际，在镇墩上下游垂直管轴方向作用力中，补充土压力、雪荷载、地面荷载，计算分力，并应在镇墩稳定计算中计入。[5]

管道铺设坡度小的情况下，由于土压力、雪荷载、地面荷载属于镇墩上下游垂直管轴方向作用力中对镇墩稳定有利的荷载，因此，对于土中地埋钢管，如果覆土达到一定厚度，当管道以上外荷载达到镇墩稳定所需要的自重，此时地埋管道不需要再设置镇墩才是合理的。

3镇墩尺寸拟定

在市政及一般民用与工业建筑工程中，多应用常用管材和管径压力管道镇墩的国家标准图集，均有相应的内水压力等适用范围。在农田水利工程中，提水泵站输水管道具有管线距离相对较短，压力变化范围相对较大的特点，在实际工程中，从工程经济角度考虑，图集中的压力镇墩适用范围并不能满足所有镇墩需要。这就需要对管道平面转弯或纵向转弯、三通、异径管、分支管处镇墩一一计算，确定安全、经济合理的结构尺寸。

在某镇抗旱应急工程的压力管道镇墩设计验算过程中，平面镇墩和纵向立面镇墩尺寸的选择需要依据镇墩稳定安全系数和地基承载力综合确定。计算中发现，有的已拟定尺寸的镇墩抗滑稳定和抗倾覆稳定均满足规范要求，但为满足地基承载力要求，需要增加镇墩宽度或者长度，但随平面镇墩和立面镇墩类型不同而增加镇墩尺寸的方向不同。

对于平面型镇墩，增加镇墩垂直于管道方向的尺寸更有利于满足地基承载力要求；而对于纵向立面型镇墩，增加顺管道方向镇墩的尺寸对于满足地基承载力更有效。与此同时，可通过降低镇墩高度或减少另外方向的镇墩尺寸，在满足地基承载力的前提下，同时满足镇墩的抗滑和抗倾覆稳定要求。最终选定镇墩结构尺寸。

经复核对比，按此方法选定的镇墩尺寸与压力范围、地质情况等适用条件相同的图集中镇墩尺寸基本一致，可判断拟定镇墩尺寸的调整计算方法正确。

因此，在具体压力管道镇墩设计中，需要反复试算，才能设计出既安全稳定，又节省材料的镇墩结构尺寸。

4稳定计算问题

4.1镇墩稳定计算内容

根据农田水利提灌工程提水泵站输水管道敷设沿线地形多变，高程变化大的特点，根据本次工程管道镇墩设计中遇到的实际问题，笔者认为镇墩稳定计算应包括：

①镇墩所在边坡应满足《水利水电工程边坡设计规范》中对于土质边坡稳定的规定；

②镇墩基础埋深等应满足《建筑地基基础设计规范》高边坡上地基基础埋深等规范要求；

③对镇墩进行抗滑、抗倾覆稳定及地基强度验算。前两条在《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》并未提及，但在工程实际中是需要复核验算的，这点需要特别注意。对于受地形条件限制，经复核，局部边坡存在不安全因素的，尚应采取必要的治理和加固措施。

4.2镇墩地基应力应满足的标准

《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》指出“土基上的基底最大压应力应小于地基允许承载力，且基底最大压应力与最小压应力之比不宜大于2.0”[6]P53，与《水工挡土墙设计规范》要求的“1在各种计算情况下，挡土墙平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。2挡土墙基底应力的最大值与最小值之比”[7]按工况和地基土质不同而不大于1.5～3.0不同，对于灌溉工程输水压力管道上镇墩地基应力各工况需满足的标准是一样的，两种水工建筑物稳定要求有差别，这点在设计中需要注意。

5结束语

以上是笔者结合某镇抗旱应急工程设计工作实际，对中、小、微型农田水利工程提水泵站输水管道上镇墩计算中常遇到的问题所提出解决方法和几点设计体会，为相关工程设计同行提供参考，确保压力管道工程安全、经济。

参考文献：

[1]左东启，顾兆勋，王文修等.《水工设计手册》[M].水利电力出版社，1989：7-192.

[2]SL281–2003.水电站压力钢管设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2003：46.

[3]SL482-2011.灌溉与排水渠系建筑物设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2011：46-47，52，53.

[4]DL5077-1997.水工建筑物荷载设计规范[S].1997.

[5]GB50265-2010.泵站设计规范[S].中国计划出版社，2010。

[6]GB5007-2002.建筑地基基础设计规范[S].2002.

[7]SL386-2007.水利水电工程边坡设计规范[S].2007：24.

[8]SL379-2007.水工挡土墙设计规范[S].2007.

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