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[摘 要] 由于水壓的作用，球墨鑄鐵管道需要在彎頭處設(shè)置支墩。 一般情況下，支墩設(shè)計(jì)可以通過查詢國標(biāo)圖集選用。 但是對(duì)于大口徑、高水壓的球墨鑄鐵管道，一是圖集中沒有對(duì)應(yīng)的支墩，二是按照?qǐng)D集的形式，管道支墩尺寸會(huì)非常大，從而造成不必要的浪費(fèi)。 因此結(jié)合具體工程，分別考慮了帶底坎的支墩、爬坡支墩和結(jié)合閥門井的支墩，在保證管道安全的前提下，減少了工程造價(jià)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。 可為后續(xù)工程提供一定的參考。
[關(guān)鍵詞] 球墨鑄鐵管道;大口徑;高水壓;管道支墩
城市的基礎(chǔ)建設(shè)是一個(gè)城市發(fā)展的基石，市政給排水工程是城市基礎(chǔ)建設(shè)重要的一環(huán)，影響到生活用水、工業(yè)用水、水資源利用、水環(huán)境保護(hù)與治理等方方面面，對(duì)城市的職能發(fā)揮和健康運(yùn)行起到十分重要的作用。 其中市政給排水管道的設(shè)計(jì)和施工直接決定了市政給排水工程的質(zhì)量與運(yùn)行。 球墨鑄鐵管由于其強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在城市給水工程中應(yīng)用廣泛。 為了方便施工安裝，同時(shí)適應(yīng)一定的非均勻沉降和變形，球墨鑄鐵管道一般采用 T 形柔性承插式接口。 然而這種接口無法傳遞拉力，在水平或豎向轉(zhuǎn)彎處、管徑改變處、三通和閥門等部位，管道內(nèi)壓作用會(huì)產(chǎn)生軸向推力，從而導(dǎo)致接口脫離。 為保證給水管道后期運(yùn)行的穩(wěn)定和安全，需結(jié)合管道設(shè)計(jì)設(shè)置不同的混凝土支墩。 筆者以喀麥隆某大型供水工程為例，介紹了該工程高水壓作用下大口徑球墨鑄鐵管道支墩的設(shè)計(jì)思路與成果。
1 支墩設(shè)計(jì)的基本原則
對(duì)于市政給排水工程中的球墨鑄鐵管道，影響其支墩設(shè)計(jì)的因素主要有管道內(nèi)水壓力、側(cè)向水土壓力和土對(duì)支墩的摩擦力，下面分別進(jìn)行說明。
以水平三通(支管與主管垂直)為例(見圖 1)，管道在內(nèi)水壓力作用下，三通處受到的截面外推力標(biāo)準(zhǔn)值 P
基于以上原則，國標(biāo)圖集 10S505《柔性接口給水管道支墩》給出了指定壓力下各種管徑球墨鑄鐵管的素混凝土支墩的規(guī)格，可以滿足常規(guī)市政柔性接口給水管道支墩的設(shè)計(jì)需要，大大減少了工程師的工作量。 但同時(shí)也要注意到：一方面，由于圖集中條件的限制，并不能滿足所有工程設(shè)計(jì)的需求，尤其對(duì)于地形受限情況下的支墩，尚需根據(jù)實(shí)際情況另行設(shè)計(jì);另一方面，圖集中的支墩形式對(duì)于低水壓比較實(shí)用，當(dāng)水壓較高時(shí)，大口徑的球墨鑄鐵管道支墩的體積往往會(huì)很大，不僅造成不必要的浪費(fèi)，還會(huì)占用較大的地下空間，因此工程師應(yīng)根據(jù)工程的實(shí)際情況對(duì)傳統(tǒng)支墩進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，在滿足安全的前提下，減少工程造價(jià)并適應(yīng)實(shí)際的地形條件。
2 支墩優(yōu)化與設(shè)計(jì)
2. 1 傳統(tǒng)支墩的優(yōu)化設(shè)計(jì)
從式(2)、(3)可知，為了提高支墩的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性，需要增大支墩受到的被動(dòng)土壓力和摩擦力，其中：通過增大支墩的后靠背面積可以增大被動(dòng)土壓力，通過增大支墩的自重，從而提高摩擦力。一般而言，摩擦力在抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定中的權(quán)重沒有被動(dòng)土壓力大，同時(shí)，支墩優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的正是要盡量減少支墩的體積，通過增加支墩體積來滿足抗滑移和抗傾覆安全的方式顯然是不經(jīng)濟(jì)的。由被動(dòng)土壓力計(jì)算公式可知，在增加相同后靠背面積的情況下，增加支墩的高度比增加支墩的寬度所提高的被動(dòng)土壓力值要大，因此從這種思路出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種帶底坎的混凝土支墩，如圖 3 所示。
通過設(shè)置底坎，增大了土與支墩的接觸面積，提高了被動(dòng)土壓力。 為了滿足抗剪和抗彎的強(qiáng)度要求，支墩下的底坎寬度 b 不小于 200 mm，底坎傾斜面與水平面夾角 θ 不大于 45 °，高度 H3 不超過 1 m。
將優(yōu)化后的支墩與圖集中的支墩進(jìn)行比較。 以 22.5 °水平彎管支墩為例，地下水埋深 0.5 m，F(xiàn)wd，k = 1.1 MPa，管道頂部覆土厚度 Hs= 1.0 m，后靠背土體的等效內(nèi)摩擦角 Φd= 28 °，底部摩擦系數(shù) f=0.30。
設(shè)置底坎的支墩與圖集選用支墩的對(duì)比如表 1所示。
從表 1 可知，通過設(shè)置底坎，支墩體積得到了一定的優(yōu)化，且底坎高度越高，節(jié)省的混凝土量越明顯，經(jīng)濟(jì)效益越好。 一般情況下，對(duì)于低水壓、小口徑的管道支墩，可以不設(shè)置或者設(shè)置較低高度的底坎;對(duì)于高水壓、大口徑的管道支墩，底坎高度可適當(dāng)增大。 以喀麥隆某大型供水工程為例，部分 DN1 800 mm 管道水平彎管支墩參數(shù)設(shè)置如表 2 所示，帶底坎的水平彎管支墩示意圖如圖 4 所示。
2. 2 爬坡管道支墩設(shè)計(jì)
給水管道敷設(shè)過程中，不可避免地會(huì)遇到地形起伏較大的情況，對(duì)于長距離的爬坡管道，當(dāng)管道自身與土之間的摩擦力不足以抵抗管道自重產(chǎn)生的下滑力時(shí)，需要采取措施來提高管道抗滑移的能力。傳統(tǒng)的解決方法一般包括減小管道爬坡角度和增加管道頂覆土等。 以喀麥隆某大型供水工程為例，局部段地形較為陡峭，管道設(shè)計(jì)地面為傾斜地面，傾角 20 °～30 °，經(jīng)計(jì)算，管道抗滑移穩(wěn)定性不足。 若是減小管道爬坡角度，不僅需要推倒最優(yōu)路線重新選址且會(huì)增加管線的長度，對(duì)控制工程造價(jià)十分不利;若是增加管道頂覆土，則會(huì)增加工期和人力投入，效果不夠明顯。 經(jīng)比較，決定采用抗滑移支墩來增加爬坡管道的抗滑移穩(wěn)定性。 設(shè)置抗滑移支墩，一方面通過增加自重的方式提高管道與土之間的摩阻力;另一方面，抗滑移支墩利用了土壓力共同抵抗管道下滑力。
支墩設(shè)計(jì)時(shí)，按照盡可能增大支墩被動(dòng)側(cè)的接觸面積，同時(shí)盡量減少支墩的重量這一思路，對(duì)該工程爬坡管道支墩進(jìn)行了設(shè)計(jì)，如圖 5 所示。
通過每隔 2 節(jié)管設(shè)置 1 個(gè)抗滑移支墩外套于管道外側(cè)，管道承插口作為管道與管道支墩的限位裝置，將兩者連接為一個(gè)整體，利用管道與土的摩阻力及抗滑移支墩收到的被動(dòng)土壓力共同抵抗管道下滑力。 該種支墩形式可以滿足任意坡率和距離的管道爬坡，避免了管頂覆土增大，具有很好的工程效益。
2. 3 結(jié)合閥門井管道支墩設(shè)計(jì)
在管道設(shè)計(jì)中，閥門井閥門兩側(cè)若存在高水壓力差，當(dāng)閥門關(guān)閉單側(cè)水放空時(shí)，在另一側(cè)水壓力作用下，閥門井閥門處抗滑移不足易造成管節(jié)脫開。為了解決該類問題，傳統(tǒng)的方法一般是在閥門外設(shè)置混凝土支墩，當(dāng)兩側(cè)水壓力較大時(shí)，會(huì)造成支墩體積過大，不易施工且造價(jià)增高。 為了避免這種情況出現(xiàn)，在支墩設(shè)計(jì)時(shí)，可以合理地利用閥門井，將支墩與閥門井結(jié)合設(shè)計(jì)，如圖 6 所示。
管道在穿越閥門井壁板和支墩處設(shè)置側(cè)向翼環(huán)，同時(shí)翼環(huán)增設(shè)加強(qiáng)肋板，這樣可以增強(qiáng)管道與閥門井和支墩的連接性。 通過這種設(shè)計(jì)，管道壓力可以通過閥門井整體傳至支墩，使閥門井和支墩共同作用抵抗水壓推力，不僅提升了安全性，還可以大大地減小支墩的尺寸。
3 結(jié) 論
混凝土支墩是管線設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的一項(xiàng)設(shè)計(jì)，但對(duì)保證工程質(zhì)量和安全具有十分重要的意義。 支墩標(biāo)準(zhǔn)圖集可以為工程師節(jié)省大量的精力和時(shí)間，然而在工程設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)，盲目的套取圖集是不可取的，工程師應(yīng)充分發(fā)揮自己的主觀設(shè)計(jì)能力，針對(duì)不同的工程情況，優(yōu)化相應(yīng)的支墩設(shè)計(jì)。
1)對(duì)于常規(guī)的支墩，可以通過設(shè)置底坎的方式在保證安全的前提下節(jié)省混凝土方量，尤其是高水壓、大口徑的管道，設(shè)置底坎可取得很好的經(jīng)濟(jì)效益。
2)針對(duì)不同的地形情況，應(yīng)因地制宜地設(shè)置相應(yīng)的支墩，如通過設(shè)置爬坡管道支墩，避免了管線重新選線或加大埋深。
3)盡量利用工程的其他附屬建(構(gòu))筑物，在不影響其使用功能的前題下，發(fā)揮其額外的作用，如將支墩結(jié)合閥門井設(shè)計(jì)，在增強(qiáng)其穩(wěn)定性的同時(shí)，節(jié)約了工程投資。——論文作者：高 宇 1，2 ，江登峰 1，2
[參考文獻(xiàn)]
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