发布时间：2022-01-26所属分类：学术成果常识浏览：1次
[摘 要] 由于水压的作用，球墨铸铁管道需要在弯头处设置支墩。 一般情况下，支墩设计可以通过查询国标图集选用。 但是对于大口径、高水压的球墨铸铁管道，一是图集中没有对应的支墩，二是按照图集的形式，管道支墩尺寸会非常大，从而造成不必要的浪费。 因此结合具体工程，分别考虑了带底坎的支墩、爬坡支墩和结合阀门井的支墩，在保证管道安全的前提下，减少了工程造价，取得了较好的经济效益。 可为后续工程提供一定的参考。
[关键词] 球墨铸铁管道;大口径;高水压;管道支墩
城市的基础建设是一个城市发展的基石，市政给排水工程是城市基础建设重要的一环，影响到生活用水、工业用水、水资源利用、水环境保护与治理等方方面面，对城市的职能发挥和健康运行起到十分重要的作用。 其中市政给排水管道的设计和施工直接决定了市政给排水工程的质量与运行。 球墨铸铁管由于其强度高、韧性好、耐腐蚀性强等优点，在城市给水工程中应用广泛。 为了方便施工安装，同时适应一定的非均匀沉降和变形，球墨铸铁管道一般采用 T 形柔性承插式接口。 然而这种接口无法传递拉力，在水平或竖向转弯处、管径改变处、三通和阀门等部位，管道内压作用会产生轴向推力，从而导致接口脱离。 为保证给水管道后期运行的稳定和安全，需结合管道设计设置不同的混凝土支墩。 笔者以喀麦隆某大型供水工程为例，介绍了该工程高水压作用下大口径球墨铸铁管道支墩的设计思路与成果。
1 支墩设计的基本原则
对于市政给排水工程中的球墨铸铁管道，影响其支墩设计的因素主要有管道内水压力、侧向水土压力和土对支墩的摩擦力，下面分别进行说明。
以水平三通(支管与主管垂直)为例(见图 1)，管道在内水压力作用下，三通处受到的截面外推力标准值 P
基于以上原则，国标图集 10S505《柔性接口给水管道支墩》给出了指定压力下各种管径球墨铸铁管的素混凝土支墩的规格，可以满足常规市政柔性接口给水管道支墩的设计需要，大大减少了工程师的工作量。 但同时也要注意到：一方面，由于图集中条件的限制，并不能满足所有工程设计的需求，尤其对于地形受限情况下的支墩，尚需根据实际情况另行设计;另一方面，图集中的支墩形式对于低水压比较实用，当水压较高时，大口径的球墨铸铁管道支墩的体积往往会很大，不仅造成不必要的浪费，还会占用较大的地下空间，因此工程师应根据工程的实际情况对传统支墩进行相应的优化，在满足安全的前提下，减少工程造价并适应实际的地形条件。
2 支墩优化与设计
2. 1 传统支墩的优化设计
从式(2)、(3)可知，为了提高支墩的抗滑移和抗倾覆稳定性，需要增大支墩受到的被动土压力和摩擦力，其中：通过增大支墩的后靠背面积可以增大被动土压力，通过增大支墩的自重，从而提高摩擦力。一般而言，摩擦力在抗滑移和抗倾覆稳定中的权重没有被动土压力大，同时，支墩优化设计的目的正是要尽量减少支墩的体积，通过增加支墩体积来满足抗滑移和抗倾覆安全的方式显然是不经济的。由被动土压力计算公式可知，在增加相同后靠背面积的情况下，增加支墩的高度比增加支墩的宽度所提高的被动土压力值要大，因此从这种思路出发，设计了一种带底坎的混凝土支墩，如图 3 所示。
通过设置底坎，增大了土与支墩的接触面积，提高了被动土压力。 为了满足抗剪和抗弯的强度要求，支墩下的底坎宽度 b 不小于 200 mm，底坎倾斜面与水平面夹角 θ 不大于 45 °，高度 H3 不超过 1 m。
将优化后的支墩与图集中的支墩进行比较。 以 22.5 °水平弯管支墩为例，地下水埋深 0.5 m，Fwd，k = 1.1 MPa，管道顶部覆土厚度 Hs= 1.0 m，后靠背土体的等效内摩擦角 Φd= 28 °，底部摩擦系数 f=0.30。
设置底坎的支墩与图集选用支墩的对比如表 1所示。
从表 1 可知，通过设置底坎，支墩体积得到了一定的优化，且底坎高度越高，节省的混凝土量越明显，经济效益越好。 一般情况下，对于低水压、小口径的管道支墩，可以不设置或者设置较低高度的底坎;对于高水压、大口径的管道支墩，底坎高度可适当增大。 以喀麦隆某大型供水工程为例，部分 DN1 800 mm 管道水平弯管支墩参数设置如表 2 所示，带底坎的水平弯管支墩示意图如图 4 所示。
2. 2 爬坡管道支墩设计
给水管道敷设过程中，不可避免地会遇到地形起伏较大的情况，对于长距离的爬坡管道，当管道自身与土之间的摩擦力不足以抵抗管道自重产生的下滑力时，需要采取措施来提高管道抗滑移的能力。传统的解决方法一般包括减小管道爬坡角度和增加管道顶覆土等。 以喀麦隆某大型供水工程为例，局部段地形较为陡峭，管道设计地面为倾斜地面，倾角 20 °～30 °，经计算，管道抗滑移稳定性不足。 若是减小管道爬坡角度，不仅需要推倒最优路线重新选址且会增加管线的长度，对控制工程造价十分不利;若是增加管道顶覆土，则会增加工期和人力投入，效果不够明显。 经比较，决定采用抗滑移支墩来增加爬坡管道的抗滑移稳定性。 设置抗滑移支墩，一方面通过增加自重的方式提高管道与土之间的摩阻力;另一方面，抗滑移支墩利用了土压力共同抵抗管道下滑力。
支墩设计时，按照尽可能增大支墩被动侧的接触面积，同时尽量减少支墩的重量这一思路，对该工程爬坡管道支墩进行了设计，如图 5 所示。
通过每隔 2 节管设置 1 个抗滑移支墩外套于管道外侧，管道承插口作为管道与管道支墩的限位装置，将两者连接为一个整体，利用管道与土的摩阻力及抗滑移支墩收到的被动土压力共同抵抗管道下滑力。 该种支墩形式可以满足任意坡率和距离的管道爬坡，避免了管顶覆土增大，具有很好的工程效益。
2. 3 结合阀门井管道支墩设计
在管道设计中，阀门井阀门两侧若存在高水压力差，当阀门关闭单侧水放空时，在另一侧水压力作用下，阀门井阀门处抗滑移不足易造成管节脱开。为了解决该类问题，传统的方法一般是在阀门外设置混凝土支墩，当两侧水压力较大时，会造成支墩体积过大，不易施工且造价增高。 为了避免这种情况出现，在支墩设计时，可以合理地利用阀门井，将支墩与阀门井结合设计，如图 6 所示。
管道在穿越阀门井壁板和支墩处设置侧向翼环，同时翼环增设加强肋板，这样可以增强管道与阀门井和支墩的连接性。 通过这种设计，管道压力可以通过阀门井整体传至支墩，使阀门井和支墩共同作用抵抗水压推力，不仅提升了安全性，还可以大大地减小支墩的尺寸。
3 结 论
混凝土支墩是管线设计中最基础的一项设计，但对保证工程质量和安全具有十分重要的意义。 支墩标准图集可以为工程师节省大量的精力和时间，然而在工程设计中也发现，盲目的套取图集是不可取的，工程师应充分发挥自己的主观设计能力，针对不同的工程情况，优化相应的支墩设计。
1)对于常规的支墩，可以通过设置底坎的方式在保证安全的前提下节省混凝土方量，尤其是高水压、大口径的管道，设置底坎可取得很好的经济效益。
2)针对不同的地形情况，应因地制宜地设置相应的支墩，如通过设置爬坡管道支墩，避免了管线重新选线或加大埋深。
3)尽量利用工程的其他附属建(构)筑物，在不影响其使用功能的前题下，发挥其额外的作用，如将支墩结合阀门井设计，在增强其稳定性的同时，节约了工程投资。——论文作者：高 宇 1，2 ，江登峰 1，2
[参考文献]
[ 1 ] 给水排水工程结构设计手册编委会. 给水排水工程结构设计手册[M]. 2 版. 北京：中国建筑工业出版社，2007：1341-1343.
[ 2 ] 中国建筑标准设计研究院. 柔性接口给水管道支墩：10S505 [S]. 北京：中国建筑标准设计研究院，2010.
[ 3 ] 雷晗. 高水压作用下的球墨铸铁管道弯头支撑设计[J]. 特种结构，2019，36(1)：44-48.
SCISSCIAHCI
