地下有压管道支墩结构设计
直埋柔性接口给水管道水平向支墩结构设计
直埋柔性接口给水管道水平向支墩结构设计摘要：以埋地有压柔性接口给水管道水平向支墩结构设计为内容，通过受力分析、解析计算过程、举例说明的方式从结构设计条件、过程、步骤等方面，全面的解析直埋有压管道支墩结构设计的特点和方法。
以供初学人员参考。
关键词：给水管道；水平向；支墩；结构设计引言在做给水管道等有压管结构设计时，设计内容与雨污水管等无压管有很大区别。
本文仅取有压给水管道为例来讲解其水平支墩的设置原则和结构设计。
篇幅有限，本次不考虑有地下水的情况。
本文从水平支墩设置条件及受力分析开始入手，由浅入深直观的为大家展示一个完整的支墩结构设计计算全过程，以指导设计并予以相关人员参考。
1.水平向支墩设置原因及注意事项给水管道中水的压力均匀作用于管壁上，当水流方向发生变化时，如通过承插接口的弯头、丁字支管顶端、管堵顶端等处时，将产生作用于管壁上的外推力。
此外推力如大于接口能承受的内水压力，就会使管道在接口处松动脱节，发生渗、漏水事故。
为了避免管道渗、漏，就必须抵抗上述外推力，因此才需要根据管内压力大小，土壤条件好坏，在管线的关键部位设置支墩。
本文所指柔性接口的给水管道，是需要设置支墩的最典型代表。
2.水平向支墩种类及形式支墩一般分为水平向支墩，垂直向支墩两类。
其中垂直向支墩又包括垂直向上弯的弯头支墩与垂直向下弯的弯头支墩两种。
而支墩的大小形状则取决于外推力大小，外推力又与管道接口允许承受的内水压力有关，内水压力又因管径、接口材料的不同而异。
支墩材料一般采用C15或C20素混凝土，是否配筋可根据情况而定，一般情况下不配筋。
常见的支墩形式，可以根据管道工作压力和试验压力，从国家标准图集《柔性接口给水管道支墩》（10S505）中选取。
超出图集限定条件外的情况就需设计人员自行设计，一般可做成全包支墩形式。
这种设计比较节省施工空间和土方开挖量，但难免会由于支墩体积过大时，将管道接口也包于混凝土内的情况，遇此情况时，被包在支墩内的管道直段及接口应内包玻璃布一层，外缠草绳两层，再包一层玻璃布，以避免自接口起的被包管段直接与混凝土粘接，以方便后续检修。
城市直埋式供热管道固定墩的结构设计浅析
城市直埋式供热管道固定墩的结构设计浅析摘要：在现代城市建设中，大口径、高温、高压的直埋式供热管道被广泛应用，管道固定段的轴向推力通常很大，给结构设计带来一定的困难。
本文从埋置深度、周围覆土性质等对固定墩的性能的影响方面，对固定墩的结构设计进行研究。
关键词：直埋式供热管道固定墩1固定墩主要受力固定墩作为管道的支撑结构埋于地下，除了自重外，受到各种外力作用。
1.1 水平力1.1.1 管道水平推力管道水平推力F(单位为kN)根据管道的敷设、管径、运行温度、安装温度、工作压力的变化及与土的摩擦力计算可得出。
此项数据在设计过程中由暖通专业计算并提供，用于结构计算。
1.1.2 主动土压力、被动土压力管道支墩前后侧面的土体对支墩产生主动土压力及被动土压力，计算公式如下：粘性土：Pa=γhtan2(45°－φ／2)－2ctan(45°－φ／2)Pp=γyhtan2(45°+φ／2)+2ctan(45°+φ／2)砂土等无粘性土：Pa=γhtan2(45°－φ／2)Pp=γhtan2(45°+φ／2)式中：Pa——主动土压力，kPaPp——被动土压力，kPaγ——土的重度，水土分算时，取浮重度；水土合算时，取天然重度，kN/m3h——固定墩埋深，m;φ——土的内摩擦角C ——土的粘聚力，kPa1.1.3 固定墩与土的摩擦力固定墩底面、侧面及顶面与土壤接触，都会产生摩擦力，但在计算中，上面及侧面的作用力可忽略不计，只计算底面产生的摩擦力。
Ff=G式中：Ff——摩擦力，kN。
——土与固定墩的摩擦系数：对粘土，0.25~0.45；对砂土，0.40~0.50；对碎石土，0.60。
G——固定墩自重及上面的覆土重，kN。
1.2 垂直力1.2.1 固定墩自重GG=γ0V式中：γ0——固定墩的重度，一般取25kN/m3V——固定墩的体积，m31.2.2 固定墩上部覆土的重量G1G1=γh0S式中：γ——固定墩上部土的重度，水土分算时，取浮重度；水土合算时，取天然重度，kN/m3;h0——固定墩上部覆土深度,m;S——固定墩底板面积,m2;2固定墩的结构验算2.1 抗滑移验算[1]抗滑移验算公式式中：Ks——抗滑移系数；K——固定支墩后背土压力折减系数，取0．4～0．7；EP——被动土压力作用力，kN；Ea——主动土压力作用力，kN。
明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备
明钢管的敷设方式、镇墩、支墩和附属设备一、钢管的敷设方式明钢管一般敷设在一系列的支墩上，底面高出地表不小于0.6m,这样使管道受力明确，管身离开地面也易于维护和检修。
在自重和水重的作用下，支墩上的管道相当于一个多跨连续梁。
在管道的转弯处设镇墩，将管道固定，不使有任何位移，相当于梁的固定端。
明钢管宜做成分段式，在两镇墩之间设伸缩节，如图13-3所示。
由于伸缩节的存在，在温度变化时，管身在轴向可以自由伸缩，由温度变化引起的轴向力仅为管壁和支墩间的摩擦力和伸缩节的摩擦力。
为了减小伸缩节的内水压力和便于安装钢管，伸缩节一般布置在管段的上端，靠近上镇墩处。
这样布置也常常有利于镇墩的稳定。
伸缩节的位置可以根据具体情况进行调整。
若直管段的长度超过150m，可在其间加设镇墩；若其坡度较缓，也可不加镇墩，而将伸缩节置于该管段的中部。
图13-3明钢管的敷设方式二、明钢管的支墩和镇墩(一)支墩支墩的作用是承受水重和管道自重在法向的分力，相当于梁的滚动支承，允许管道在轴向自由移动。
减小支墩间距可以减小管道的弯矩和剪力，但支墩数增加，故支墩的间距应通过结构分析和经济比较确定，一般在6〜12m之间。
大直径的钢管可采用较小的支墩间距。
按管身与墩座间相对位移的特征，可将支墩分成滑动式、滚动式和摆动式三种。
1.滑动式支墩滑动式支墩的特征是管道伸缩时沿支墩顶部滑动，可分为鞍式和支承环式两种.鞍式支墩如图13-4 (a)所示。
钢管直接安放在一个鞍形的混凝土支座上，鞍座的包角在120°左右。
为了减小管壁与鞍座间的摩擦力，在鞍座上常设有金属支承面，并敷以润滑剂。
鞍式支墩的优点是结构简单，造价较低，缺点是摩阻力大，支承部分管身受力不钧匀，适用于直径在1OOcm以下的管道。
支承环式滑动支墩是在支墩处的管身外围加刚性的支承环，用两点支承在支墩上，这样可改善支座处的管壁应力状态，减小滑动摩阻，并可防止滑动时摩损管壁，如图13-4(b)所示。
6水电站压力管道a详解
2. 布置：在水管转弯处，直线段不超过150m。 3. 类型：一般由混凝土浇制，靠自重维持稳定。
➢ 封闭式：应用广泛。结构简单，节约钢村，固 定效果好。
➢ 开敞式：采用较少。易于检修，但受力不均匀。
镇墩的两种形式
(2) 滚动式(rolling ring girder support)
❖ 在支承环与墩座之间加圆柱形辊轴，摩擦系数f小， 适用于D>2m。
(3) 摆动式(rocking ring girder support)
❖ 在支承环与墩座之间设一摆动短柱。摩擦系数f很 小，适用于大直径管道。
三、镇墩(anchor block)
2. 经验公式法：简化条件推导公式。精度较低，初
步设计时采用
D 7 5.2Qm3 ax H
Qmax——压力管道设计流量，H—设计水头
3. 经济流速法：压力管道经济流速一般为4~6m/s，
最大不超过7m/s，Ae= Qmax/Ve
第四节 钢管的材料和管身构造
一、钢管的材料
❖ 钢管所用钢材应根据钢管结构型式、钢管规模、使用 温度、钢材性能、制作安装工艺要求以及经济合理等 因素选定。
❖ 适用：压力水管较长，机组台数多，单机流量较 小的情况。地下埋管和明管。
第三节 水力计算和经济直径的确定
一、水力计算 ❖ 恒定流计算：确定管道的水头损失，包括沿程和
局部两部分。 ➢沿程损失：处于紊流，可按曼宁公式计算。 ➢局部损失：进口、门槽、渐变段、弯段、分岔
等部位，按水力学公式计算。 hw→电能→装机容量→管径选择
二、压力管道引进厂房的方式
1. 正向引近：低水头电站。水流平顺、水头损失小， 开挖量小、交通方便。钢管发生事故时直接危机 厂房安全。
基于安哥拉琼贝达拉水电站压力管道镇墩设计研究
镇墩 支管3 支管1
镇墩 主管道
支管2
水电站厂房
支管1 主管道 主管道
支管3
支管2 水电站厂房
支管2
支管1
支管3
图 3 镇墩平面内水压力受力简图
主管道
支管2
支管1 镇墩
支管3
图 2 琼贝达拉水电站压力钢管镇墩平面布置图 2．主要计算参数
表 1 压力管道镇墩主要计算参数表
序号
项目
单位
数量
1
钢管容重
kN/m3
78.5
2
混凝土容重
kN/m3
24
3
回填土容重
kN/m3
18
4
主管道之间水平夹角
°
54
5
主管道之间竖向夹角Βιβλιοθήκη °38.666
支管 1 与支管 2、支管 3 的水平夹角
°
54
7
f 混凝土与基岩摩擦系数
-
0.35
8
发生水锤时压力水头
m
78.20
9
地下水位线至墩底高度
m
6.90
10
回填土至墩底高度
3．受力分析与稳定计算
My —镇墩全部荷载对计算截面形心轴的力矩总和，
kN·m；
x —计算截面计算点至形心轴的距离，m；
Jy —计算截面对形心轴的惯性矩，m4； R—地基压应力容许值，取 300kPa。 要求最大值 σmax≤[R]，最小值 σmin＞0，即不出现负
值。 四、镇墩结构设计
收稿日期：2019-03-06 作者简介：张 鹏（1987-），男，黄河勘测规划设计研究院有限公司工程师。
192
中国水运
第 19 卷
镇墩及支墩砼施工组织设计
1 概述2 施工布置2.1 施工道路布置2.2 施工水电布置2.3 混凝土制备及运输2.4 施工排架搭设3 施工时间4 模板工程施工4.1 模板的选用4.2 模板加工工艺流程如下4.3 模板的清洗和涂料4.4 模板的安装4.5 模板的拆除5 混凝土施工5.1 普通混凝土施工工艺5.2 基础面混凝土浇筑5.3 浇筑准备和检查验收5.4 混凝土浇筑5.5 混凝土保温措施6 施工质量保证措施6.1 管理措施6.2 混凝土施工质量保证技术措施6.3 混凝土外观质量保证措施7 安全文明施工8 投入主要人员、设备及材料为了保证施工强度、施工质量，确保乡城县洞松乡热斗村太阳能提灌站正常运行输水，经业主、监理及施工单位共同研究决定，对本工程压力管道工程镇墩、支墩砼采用自拌混凝土浇筑，所发生工程量以实际发生工程量为准。
从进水池通往高位水池搭设一条便道，并在陡崖处，采用Φ 48 钢管搭设安全通道。
(1)施工用水：直接采用水泵(7.5kw)抽取硕曲河河水。
(2)施工用电：施工工作面采用 30KVA 柴油发机电提供发电。
混凝土在施工区域内进行自拌，运输采用斗车运输。
为了保证施工安全，方便施工，必须搭设施工平台。
施工平台采用Φ 48 钢管搭设，并用十字回旋扣固定，并在施工平台上铺设 4cm 厚平台板。
(1)施工准备：2022.1.27~2022.1.31(2)混凝土浇筑：2022.2.1~2022.2.7模板的选用不仅关系到安装方法，还影响到拆模后的混凝土外观质量。
在本工程施工中，根据各部位的体型特点以标准木模板为主。
备料→ 放大样→ 排料加工→ 试拼装→ 测量验收→ 编号→ 存放备用木模板在每次使用前应清洗干净，为拆模方便，不得采用污染混凝土的油剂，不得影响混凝土或者钢筋混凝土的质量。
若检查发现在已浇筑混凝土面沾染污迹，采用洗涤剂等有效措施予以清除。
(1)模板的安装，遵循安全、方便、快速并使混凝土表面美观的原则。
根据不同的混凝土部位而选用不同的模板安装方式，并根据混凝土浇筑的分层分块来安排模板安装的先后顺序。
水利水电工程设计质量评定标准
水利水电工程设计质量评定标准1水文1.1水文部分的安全性应满足下列要求：1水文分析计算内容齐全，满足项目要求。
2设计洪水复核，对新出现的大洪水宜详细说明，复核后的设计洪水成果，与上阶段成果进行比较并确定采用成果。
3水文自动测报系统总体设计应满足数据采集、存储、传输和数据处理等工程运行管理和水文预报的要求。
1.2水文部分的可靠性应满足下列要求：1气象、径流、洪水、泥沙等资料搜集齐全、可靠。
2资料系列还原等一致性处理方法正确。
3系列插补延长方法正确，系列长度满足规范要求，历史洪水（或暴雨、潮位等）重现期、系列代表性应经过论证。
4各设计成果的分析计算方法正确，成果合理。
5水文自动测报系统的水文预报方案合理，站网范围及站点布设应经过论证。
6报告附表、附图齐全。
2工程地质2.1工程地质部分的安全性应满足下列要求:1区域构造稳定性的评价准确，场地地震动参数的确定符合有关技术标准规定。
2对水库渗漏、岸坡稳定、浸没和诱发地震等问题分析充分，评价准确，结论合理。
3对建筑物存在的工程地质问题分析充分，评价准确，结论合理。
4岩土体物理力学指标和开挖边坡坡比等地质参数合理，确定依据可靠。
5对崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的分布、规模、稳定性、工程影响以及工程边坡的稳定条件等分析充分，评价准确，结论合理。
6对规划移民区场地的稳定性及适宜性评价准确。
2.2工程地质部分的可靠性应满足下列要求：1勘察布置合理，勘察方法和深度满足规程规范要求。
2基础资料、勘察成果齐全且真实可信。
3区域地质及水库区、建筑物区基本地质条件分析叙述详细、全面。
4不同设计方案工程地质条件的差异分析充分，方案比选的地质意见合理。
5针对主要不良地质缺陷处理应提出建议。
6天然建筑材料勘察满足详査精度。
3工程任务和规模3.1工程任务和规模部分的安全性应满足下列要求：1防洪、蓄滞洪区、河道及河口等工程的洪水标准合理，洪水调节计算成果及水面线推算成果正确；治涝工程的骨干排涝河道、堤防、滞涝区的水位计算成果正确，综合利用工程的洪水调节计算及回水计算成果正确。
第三章_压力管道总论及明钢管1
适用：广泛应用于地下埋管和明管。压力水管
较长，机组台数多，单机流量不大的情况。
压力管道直径的选择
供接着应对管道直径进行
选择。
由于管道费用较高，直径越小，管道用
材及造价越低，但管中流速越大，水头 损失与发电损失也越大。因此管道直径 应进行经济比较选定。
取大值，即［σ］取小值；
② 对特殊荷载组合，对埋藏式钢管和钢管的局部 应力区，K取小值，即［σ］取大值； ③ 对于屈强比大的钢材，试用新钢材和弯管、岔 管或特别重要的部位，［σ］需适当降低；
另外，焊缝强度的折减系数 ，应根据焊缝类别
和探伤要求，取为0.90~0.95。
钢材的强度校核
第四强度理论:
2 x r2 2 x r r x 3( xr 2 r 2 x 2 ) [ ]
其中： 焊缝系数一般可取0.9 - 0.95, 与焊缝方法、 探伤标准、建筑物等级有关。
, r , x 钢管环向，径向和轴向应力; x , xr , r 钢管各方面剪应力;
加工成型和焊接。宁可强度低而保证塑韧性高。 举例来说：A3 钢塑韧性好，但容许应力（240）低； 16Mn钢强度较高（330），但塑韧性差。 当HD值不够大时，选择 A3钢；
只有当 HD>600m2，δ=32mm～40mm， A3 钢不易
加工时采用16Mn。
钢材的容许应力
水电站钢管多按允许应力设计，允许应力常以钢 [ 材屈服强度百分比表示。 ] s k ，安全系数 K可参考 有关规范。
明 管 示 意 图
为了使管壁受力 均匀，支座处管 壁加支承环； 为保持钢管抗外 压稳定，有时在 支承环间加设加 劲环。
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地下有压管道支墩结构设计
摘要：在核电站工程中，在室外场地中存在大量直埋有压管道。
这些管道在平、立面角度改变或管径改变处，由于内压力会产生外推力。
外推力大小受管径、管道压力以及转角角度等因素影响。
当外推力对管道产生破坏作用不能忽略时，需设置支墩来保证管道的安全。
本文就支墩结构设计的受力状态做简要的分析。
关键词：支墩土压力地下水
受场地条件、工艺要求等因素限制，核电站室外场地管线布置错综复杂，同时支墩会受到场地条件限制，在设计时应具体问题具体分析。
水平弯头、堵头以及水平三通对支墩产生水平方向的力；在改变管道标高的上弯或下弯管处，支墩除水平分力外，还有垂直向分力；当有支墩高度范围内有地下水的影响时，还应该考虑地下水的影响。
1、支墩水平受力状态
支墩的水平抗推力，主要由土压力，支墩和地面摩擦力FF组成。
支墩可以近似的看成挡土墙。
根据现有的土力学理论，土压力根据挡土墙位移方向和墙后土体的受力状态，分为三种不同的土压力，即静止土压力P0、主动土压力Fa和被动土压力Fp。
当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对墙的压力为静止土压力；当挡土墙向离开土体方向偏移至达到极限平衡状态时，土对墙的压力为主动土压力；当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，土对墙的压力为为被动土压力。
土压力和墙身位移的位移关系如图1所示。
相同土体的情况下，被动土压力Fp大于主动土压力Fa，而被动土压力所需的位移δp大大超过了δa。
当管道对位移有严格要求时，支墩不允许产生位移，此时位移δ=0，支墩两侧均受到静止土压力P0，大小相等，方向相反。
此时，水平抗推力为支墩和地面摩擦力FF。
FF与支墩自重以及上部覆盖土的重力G以及支墩和地面的摩擦系数f有关。
当管道的水平力大于摩擦力FF时，支墩将向抗推力侧产生位移δ。
在当位移δ为δa时，支墩迎推力侧的土体达到极限平衡状态，产生主动土压力Fa，而支墩抗推力侧位移尚未达到δp；当位移δ为δp时，支墩迎管道侧土体已经被破坏产生滑动面，抗推力侧土体达到极限平衡状态，产生被动土压力Fp。
此时水平抗推力最大。
经相关研究，被动土压力的位移δp往往要达到2%~10%H（H为支墩高度）是才能产生被动土压力。
当土体达到被动土压力时，位移δ可能已经远远大于管道接头设计允许值，故设计时应对被动土压力Fp乘以一个折减系数来进行折减，
折减系数可根据具体情况区取0.4~07。
土压力的计算理论常用的有朗肯土压力理论和库仑土压力理论。
朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土单元体的极限平衡条件而得出，假设墙背光滑、直立、填土面水平；库仑土压力理论是以整个滑动体上的力系平衡条件来求解土压力的理论。
由于每种理论都有各自的试用条件和局限性，也就没有一种统一且普遍适用的压力计算方法。
由于朗肯土压力理论是建立在半无限土体假定的基础上，在有边界条件时不符合这一假定；库仑土压力理论在计算主动土压力时比较接近，对于被动土压力偏差较大，不应用于被动土压力的计算。
对于支墩水平力的计算，迎推力面土对支墩产生被动土压力，该侧土体往往设计成竖直面，以保证产生相对最大的被动土压力，符合朗肯土压力假设条件，可以用朗肯土压力理论计算；而管道方向产生主动土压力，此方向截面可以设计成斜面，以节省材料，可采用库仑土压力理论计算。
《给排水水工工程管道结构设计规范》给出了主动土压力和被动土压力的简化计算公式，可以在简化计算时采用。
2、支墩垂直方向受力状态
在管线布置过程中，往往需要用上下弯头对管道的标高进行调整。
在弯头处，除了产生水平向分力以外，还产生垂直分力N（在本文中N不表示方向）。
向上弯弯头产生垂直向下的分力N，N同支墩自重以及上部覆盖土的重力G方向相同；向下弯弯头将产生垂直向上的分力N，N与G方向相反，应该保证G大于N才能保证支墩稳定。
垂直分力向下的上弯弯头的支墩，可以通过扩大基础面积，提高基础承载力等方法解决。
垂直分力向上的下弯弯头，当管道直径和压力、弯头角度都比较大时，向上分力N很大，需通过加大支墩本身自重和上部覆土重的方式来满足稳定验算。
在实际工程中，下弯弯头一般埋深比较浅，如果按照常规做法，采用矩形实心混凝土支墩的体积较大，浪费材料。
可以采用倒梯形或者井形支墩设计，可以充分利用回填土自重，减少混凝土用量。
3、地下水的影响
当有支墩高度范围内有地下水的影响时，还应该考虑地下水的影响。
计算垂直向稳定性时，因水的浮力作用，土和支墩有效重度G减小，对结构产生不利影响；计算水平抗力时，地下水面以下的土重度要按照有效重度来计算，主动土压力和被动土压力都将减小，其中被动土压力相对减小更多，摩擦力FF也因重力G减小而减小。
因此，当支墩高度范围内有地下水时，应充分考虑地下水的不利影响。
结语
由于管线布置错综复杂，各种管线交错布置，支墩受力状态复杂；同时受到场地条件限制，具体设计时不能不考虑周边管线、构建筑物的影响，增加了设计难度。
因此设计时应具体问题具体分析，分析清支墩的受力状态，充分利用现有
条件，采用安全合理的安全系数，才能保证支墩的安全性和经济性。
参考文献:
1 陈希哲,叶菁.土力学地基基础清华大学出版社
2 GB 50332-2002,给水排水工程管道结构设计规范
3 GB 50007-2007,建筑地基基础设计规范
4 CJJ/T81-98,城市直埋供热管道工程技术规程。