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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。 但是對于大口徑、高水壓的球墨鑄鐵管道，一是圖集中沒有對應(yīng)的支墩，二是按照圖集的形式，管道支墩尺寸會非常大，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很大，不僅造成不必要的浪費(fèi)，還會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，不可避免地會遇到地形起伏較大的情況，對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)路線重新選址且會增加管線的長度，對控制工程造價(jià)十分不利;若是增加管道頂覆土，則會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側(cè)的接觸面積，同時(shí)盡量減少支墩的重量這一思路，對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，針對不同的工程情況，優(yōu)化相應(yīng)的支墩設(shè)計(jì)。
1)對于常規(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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