徐瑞珺
摘 要：该文针对给水管道设计中经常遇到的给水管道需在管道三通、弯头或管道末端处设置支墩，以保证管道运行安全的问题进行了探索研究，对于给水管道不同部位处设置的管道支墩的受力计算以及相关的经验数据、计算公式和注意事项等方面，该文结合日常的实际工作进行了总结。
关键词：给水管道支墩 常用数据 计算公式 验算
中图分类号：TU991 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0060-02
在给水管道设计中，常在三通、弯头或末端设置支墩，以保证管道运行安全。支墩设计是否合理，直接影响管道运行安全和工程造价。在工作中设计人员常花费大量时间找计算公式和参考数据，故该文将工作中查找的资料和经验数据进行了分类总结，并得出：管道与土壤间的摩擦力大于水压对三通、弯头的作用力，可不设支墩；反之则需设支墩，其计算方法可参考以下步骤和方法。
1 计算中常用数据
（1）安全等级为二级，设计使用年限50年，结构构件重要性系数γ=1.0。（2）管道工作压力Fwk=0.4 MPa，管道设计内压FWd.k=0.9 MPa。（3）管道口径：DN100～DN2000。（4）管道覆土深度：0.7～2.5 m。（5）根據计算结果选取土壤对支墩底部摩擦系数：①当等效内摩擦角为20°时，摩擦系数f=0.25；②当等效内摩擦角为28°时，摩擦系数f=0.30；③当等效内摩擦角为35°时，摩擦系数f=0.35。实际计算结果介于两档之间，按土壤等效内摩擦角较小值选用。（6）材料重度及地基承载力特征值按地勘资料取；若无相关地勘资料，可参见以下资料计算：①地下水位以上原状土重度γs1=18 kN/m3；②支墩、管件基础顶部覆土重度γs1=16 kN/m3；③主动土压力计算采用回填土重度γs3=18 kN/m3；④地下水位以下土有效重度γs/=10 kN/m3；⑤地下水重度γW=10 kN/m3；⑥混凝土重度γC=23 kN/m3；⑦地基承载力特征值Fak为80 kPa、100 kPa、150 kPa。（7）抗滑稳定性抗力系数Ks=1.5。（8）参看《柔性接口给水管道支墩》（10S505）P7表5.8.1铸铁管接口设计内径转换。
2 计算中常用公式及计算步骤
2.1 土壤等效内摩擦角取地勘数据
其计算公式：￠d=arctg（tg￠+c/（γ×h）），式中：￠为各层土的加权平均内膜擦角（°）；C为各层土的加权平均内聚力；γ为各层土的加权平均天然重度（kN/m3）；h为管道支墩底的埋深。
2.2 管道截面外推力标准值
P=0.785dn2FWd.k/1 000，式中：dn为管道接口设计内径（mm），dn=αDD；其中αD为管道接口；D为管内径（mm）；FWd.k为管道设计内水压力；P为管道截面外推力标准值（kN）。
2.3 水平向支墩承受截面外推力P对支墩产生的水压合力标准值FWd.k
（1）弯管处：Fwp.k=2Psin（α/2），其中α为弯管的角度。（2）三通及管堵处：FWp.k=P。
2.4 垂直向支墩承受水压合力产生的垂直力N及水平力Fh标准值
（1）垂直向上弯的弯管：垂直向下分力：N=Psinα；水平分力：Fh=P（1-cosα）。（2）垂直向下弯的弯管：垂直向上分力：N=Psinα，水平分力：Fh=P（1-cosα）。
式中：α为垂直向上（下）弯的弯管中心线与水平线的夹角。
2.5 支墩所承受土压力的计算
2.5.1 支墩迎推力侧的主动土压力标准值Fep.k
（1）地下水低于支墩底面时：Fep.k=1/3（γs3×（Z22-Z21）/2）× L。（2）地下水位高于支墩顶面时：Fep.k=1/3{γs×（Z22-Z21）/2+（γs3-γs）×Zw×（Z2-Z1）}×L。
2.5.2 支墩抗推力侧的被动土压力标准值Fpk
（1）地下水低于支墩底面时：Fpk=tg2（45+（￠d/2））× （γs1×（Z22-Z21）/2）×L。（2）地下水位高于支墩顶面时：Fpk=tg2（45+（￠d/2））×{（γs1×（Z22-Z21）/2+（γs1-γ's）Zw×（Z2-Z1）}×L；式中：Fep.k为支墩迎推力侧的主动土压力标准值（kN）；Fpk为支墩抗推力侧的被动土压力标准值（kN）；Z1为支墩顶在设计地面以下的深度（m）；Z2为支墩底在设计地面以下的深度（m）；Zw为地下水位在设计地面以下的深度（m）；L为支墩长度（m）；￠d为土壤等效内摩擦角（°）。
2.6 支墩底部滑动平面上摩擦力标准值Ffk
（1）支墩的重量G=γc×Vc。（2）支墩顶部覆土的重量W=γs2×Vs。（3）支墩及其顶部覆土所受浮托力标准值FFW.K =γW×A（Z2-ZW）。（4）水平向支墩滑动平面上摩擦力标准值FFK=（G+W-FFW.K）f。（5）垂直向上弯的弯管支墩滑动平面上摩擦力标准值：FFK=（G+W+N-FFW.K）f。（6）垂直向下弯的弯管支墩滑动平面上摩擦力标准值：FFK=（G+W+N-FFW.K）f；式中：N为支墩承受的水压力合力的垂直向上（下）分力（kN）；Vc为支墩混凝土体积（m3）；VS为支墩顶部覆土的体积（m3）；A为支墩底面积（m3）；FFW.K为支墩及其顶部覆土所受浮托力标准值（kN）；FFK为支墩滑动平面上摩擦力标准值（kN）；G为支墩混凝土自重（kN）；W为支墩顶部覆土重量（kN）；F为土对混凝土支墩底部摩察系数。
2.7 支墩抗推力稳定验算
（1）水平向支墩抗推力稳定验算：Fpk-Fep.k+Ffk≥ Ks×Fwp.k；式中：Ks为抗滑稳定性抗力系数，取Ks=1.5。（2）垂直向上弯的弯管支墩抗推力稳定验算：Fpk-Fep.k+ Ffk≥Ks×Fh。（3）垂直向下弯的弯管支墩抗推力稳定验算：Ffk≥Ks×Fh。
2.8 地基承载力验算
（1）水平向支墩地基承载力验算：G+W≤A×fa；式中：fa为修正后的地基承载力特征值（kPa）。（2）垂直向上弯的弯管支墩地基承载力验算：G+W+N≤A×fa。（3）垂直向下弯的弯管支墩地基承载力验算：G+W≤A×fa；不考虑地下水引起浮力和水压合力的垂直向上分力偏于安全。
2.9 垂直向下弯的弯管支墩垂直向稳定验算
G+W≥Kf（N+Ffw.k），式中：Kf为垂直向稳定性抗力系数，取1.1。通过以上公式，结合地勘相关数据，反复试算，确定最佳支墩尺寸。
3 其他注意事项及要求
（1）支墩在地面车辆荷载作用下，仅考虑管道工作压力，安全系数取1.3。（2）混凝土强度等级建议采用C15以上。当强度达到设计强度后方可做管道试压试验。（3）钢筋采用HPB235级钢筋。（4）水平支墩抗推力侧必须是原状土，并保证支墩和土体紧密接触，否则应以C15以上素混凝土填实；垂直向下弯管支墩必须在管道压力试验前回填土并分层夯实，且回填土应满足覆土深度要求。（5）垂直向上弯管支墩，弯管被支墩包入部分的中心角不得小于135°。（6）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，再包玻璃布一层。（7）有地下水时，施工降水后，应在支墩底部铺设100 mm厚碎石层。
参考文献
[1]柔性接口给水管道支墩（10S505）[Z].
[2]给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程（CECS： 142-2002）[Z].endprint
