張雯穎，左舒揚(yáng)，李國寧，王雪巖

(內(nèi)蒙古自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特市 010020)

長距離輸水管線為了保持壓力管道不發(fā)生滑移、傾覆和扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，在轉(zhuǎn)角以及地勢起伏處設(shè)置重力式支撐構(gòu)筑物即鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩一般依靠自重固定管道，以抵抗因水流方向改變而產(chǎn)生的軸向力[1-2]。

隨著國內(nèi)外各種供水工程、長距離引調(diào)水工程以及跨流域調(diào)水工程的發(fā)展，輸水管線上的鎮(zhèn)墩直接關(guān)系到工程的安全性和經(jīng)濟(jì)性，因此鎮(zhèn)墩成為輸水管線中的重要建筑物[3]。同時(shí)，長距離輸水管道由于平面曲折轉(zhuǎn)彎、立面起伏變化，導(dǎo)致鎮(zhèn)墩數(shù)量眾多、結(jié)構(gòu)形式相似但不同，在設(shè)計(jì)過程中幾十個甚至上百個鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)圖和鋼筋圖一一用AUTOCAD制圖軟件繪制實(shí)屬浪費(fèi)時(shí)間及精力。在鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中，要對其結(jié)構(gòu)形式、抗滑、抗傾、地基承載力等進(jìn)行計(jì)算校核[3]，對計(jì)算結(jié)果形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，同時(shí)要應(yīng)用BIM平臺進(jìn)行鎮(zhèn)墩標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)出圖，以提高設(shè)計(jì)效率。

1 地埋式水平鎮(zhèn)墩尺寸標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

水平鎮(zhèn)墩根據(jù)管線轉(zhuǎn)角的角度分為兩類，根據(jù)管道根數(shù)分為單管和雙管兩類，如圖1—4所示。

圖1 單管θ<45°水平鎮(zhèn)墩平面圖

采用管道水平外包混凝土厚度A1、垂直外包混凝土厚度H1和鎮(zhèn)墩水平中心線偏移距離L作為鎮(zhèn)墩尺寸的控制性參數(shù)，通過調(diào)整A1和L的值控制鎮(zhèn)墩尺寸，以滿足鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定計(jì)算等要求。

1.1 單管(θ<45°)水平鎮(zhèn)墩尺寸

根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)得出水平鎮(zhèn)墩的尺寸及混凝土體積公式：

圖2 單管θ≥45°水平鎮(zhèn)墩平面圖

圖3 雙管θ<22.50°水平鎮(zhèn)墩平面圖

圖4 雙管θ≥22.50°水平鎮(zhèn)墩平面圖

(1)

混凝土體積：

(2)

式中，L—鎮(zhèn)墩水平中心線偏移距離，m；A1—管道水平外包混凝土厚度，m；H1—管道垂直外包混凝土厚度，m；A—鎮(zhèn)墩垂直水流方向尺寸，m；B1—鎮(zhèn)墩迎推力側(cè)尺寸，m；B—鎮(zhèn)墩抗推力側(cè)尺寸，m；θ—管線平面轉(zhuǎn)角，(°)。

1.2 單管(θ≥45°)水平鎮(zhèn)墩尺寸

根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)得出水平鎮(zhèn)墩的尺寸及混凝土體積公式：

(3)

B6=B2+B5

B7=2B1

混凝土體積：

(4)

式中，R—轉(zhuǎn)彎半徑，m，一般取R=3DN；其他公式符號意義同上。

1.3 雙管(θ<22.50°)水平鎮(zhèn)墩尺寸

根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)得出水平鎮(zhèn)墩的尺寸及混凝土體積公式：

(5)

混凝土體積：

(6)

式中公式符號意義同上。

1.4 雙管(θ≥22.50°)水平鎮(zhèn)墩尺寸

根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)得出水平鎮(zhèn)墩的尺寸及混凝土體積公式：

(7)

混凝土體積：

(8)

式中公式符號意義同上。

2 水平鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算

鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定計(jì)算主要包括抗滑計(jì)算、抗傾覆計(jì)算、驗(yàn)算地基承載力等方面。根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)，對于埋地管道鎮(zhèn)墩，一般情況下地基承載力均能滿足要求。鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算主要考慮抗滑穩(wěn)定計(jì)算，通過抗滑穩(wěn)定計(jì)算確定鎮(zhèn)墩所需的結(jié)構(gòu)尺寸，再進(jìn)一步進(jìn)行鎮(zhèn)墩抗傾覆以及地基承載力的相關(guān)計(jì)算[4]。

根據(jù)10S505《柔性接口給水管道支墩》，關(guān)于水平向鎮(zhèn)墩抗推力穩(wěn)定驗(yàn)算已經(jīng)給出明確計(jì)算公式[5]：

Fpk-Fep，k+Ffk≥KsFwp，k

(9)

式中，F(xiàn)pk—鎮(zhèn)墩抗推力側(cè)的被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Fep，k—鎮(zhèn)墩迎推力側(cè)的主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Ffk—鎮(zhèn)墩滑動平面上摩擦力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Ks—抗滑穩(wěn)定性抗力系數(shù)，Ks≥15；Fwp，k—水平向鎮(zhèn)墩承受截面外推力對鎮(zhèn)墩產(chǎn)生的水壓合力標(biāo)準(zhǔn)值，kN。

(10)

式中，φ—土壤等效內(nèi)摩擦角，(°)；γs1—原狀土重度，kN/m3；γs2—回填土重度，kN/m3；γc—混凝土重度，kN/m3；Z1—鎮(zhèn)墩頂在設(shè)計(jì)地面以下的深度，m；Z2—鎮(zhèn)墩底在設(shè)計(jì)地面以下的深度，m；L1—鎮(zhèn)墩抗推力側(cè)長度，m；L2—鎮(zhèn)墩迎推力側(cè)長度，m；Vc—鎮(zhèn)墩體積，m3；Vs—鎮(zhèn)墩頂部覆土體積，m3；f—土對混凝土鎮(zhèn)墩底部摩擦系數(shù)；Fwd，k—管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力，MPa。

在鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算中，是否考慮被動土壓力對于鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)影響較大。若僅將被動土壓力作為安全儲備，不參與鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)安全值很高，但是會造成鎮(zhèn)墩體積很大，投資增大；若將被動土壓力作為鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算時(shí)的有利因素時(shí)，可優(yōu)化鎮(zhèn)墩體積，減少投資，但是會令安全度下降。但在各種規(guī)范、書籍中并沒有明確的概念強(qiáng)調(diào)被動土壓力是否參與計(jì)算[6]。

通過分析及近年來工程經(jīng)驗(yàn)，在地埋式水平鎮(zhèn)墩施工時(shí)，抗推力側(cè)盡量保證原狀土，并保證鎮(zhèn)墩與土體緊密接觸，否則應(yīng)以C15素混凝土填實(shí)，以滿足鎮(zhèn)墩穩(wěn)定要求[5]。

3 各類型鎮(zhèn)墩三維參數(shù)化設(shè)計(jì)

由于引調(diào)水工程中管道轉(zhuǎn)角眾多，鎮(zhèn)墩尺寸均不相同，因此不同鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)可通過Inventor軟件的相關(guān)功能進(jìn)行參數(shù)化建模，通過設(shè)定邊界條件把各種參數(shù)集合在一起，形成相應(yīng)的拓?fù)潢P(guān)系，繼而進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，快速形成新的設(shè)計(jì)模型[7]。

“三維鋼筋圖軟件VisualFL”是近年來開發(fā)的一款鋼筋圖軟件。這款軟件可通過導(dǎo)入三維建模軟件生產(chǎn)的.sat文件對建筑物進(jìn)行配筋，從而生成三維配筋模型、二維鋼筋平、立、剖圖以及鋼筋表、材料表等，可滿足在施工圖階段的要求[8]。

基于上述Inventor平臺和三維鋼筋圖軟件VisualFL平臺，通過將鎮(zhèn)墩參數(shù)化設(shè)計(jì)，相應(yīng)生成結(jié)構(gòu)圖和鋼筋圖，大大提高生產(chǎn)效率以及圖紙準(zhǔn)確率。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

引綽濟(jì)遼工程輸水線路起點(diǎn)為擬建的興安盟文得根水利樞紐，終點(diǎn)為通遼市的莫力苗水庫，線路總長度389.57km，年最大調(diào)水量4.88億m3，設(shè)計(jì)輸水流量18.58m3/s，全線采用重力流輸水。輸水線路主要由無壓隧洞、倒虹吸、暗涵、PCCP壓力管道及附屬建筑物組成。其中，PCCP壓力管道工程為埋地式管道，總長度206.27km，興安盟境內(nèi)采用DN2800雙管布置，長度為100.14km，通遼境內(nèi)采用DN3200單管布置，長度為106.13km[9]。

DN2800雙管水平鎮(zhèn)墩數(shù)量為25個，角度范圍為9.47°～53.57°，DN3200單管水平鎮(zhèn)墩數(shù)量為14個，角度范圍為8.49°～45.00°。

4.2 計(jì)算尺寸成果

基于上述標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式，同時(shí)復(fù)核水平鎮(zhèn)墩穩(wěn)定等因素，計(jì)算成果詳見表1—4。

表1 單管水平轉(zhuǎn)角θ<45°鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸表

4.3 BIM出圖成果

4.3.1三維建模

采用Inventor軟件將各種上述4種型式的水平鎮(zhèn)墩進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并創(chuàng)建成.sat格式的三維建筑物模型，如圖5所示。

圖5 各種型式水平鎮(zhèn)墩三維模型

4.3.2模型配筋

采用“三維鋼筋圖軟件VisualFL”對上述4種型式的水平鎮(zhèn)墩三維模型分別進(jìn)行配筋，配筋完成后保存為.slf文件，該文件可根據(jù)作為該種類型水平鎮(zhèn)墩配筋模型，后續(xù)根據(jù)角度不同進(jìn)行模型替換即可[10]。三維鋼筋配筋圖操作界面如圖6所示。

圖6 各種型式水平鎮(zhèn)墩三維配筋模型

4.3.3AUTOCAD出圖

模型配筋完成后，“三維鋼筋圖軟件VisualFL”可直接實(shí)現(xiàn)同AUTOCAD之間的接口轉(zhuǎn)化，同時(shí)生成鋼筋表和材料表。在CAD中進(jìn)行圖面修復(fù)整理即可完成施工圖階段的出圖要求，最終CAD版圖紙如圖7所示。

5 結(jié)語

目前現(xiàn)行規(guī)范、書籍及研究成果中，對于地埋式水平鎮(zhèn)墩的涉及內(nèi)容偏少且不夠全面，本文探討了長距離輸水管線地埋式水平鎮(zhèn)墩的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，有以下結(jié)論。

(1)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)針對單、雙管管道地埋式水平鎮(zhèn)墩所涉及的角度類型進(jìn)行分類設(shè)計(jì)，并推導(dǎo)出不同型式的水平鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸。

(2)利用BIM技術(shù)將不同型式的水平鎮(zhèn)墩進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并利用“三維鋼筋圖軟件VisualFL”進(jìn)行鋼筋圖繪制，提高繪圖效率。

(3)根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、彎頭管片數(shù)量以及彎頭排管要求，單管彎頭轉(zhuǎn)角分界角度為45.00°，雙管彎頭轉(zhuǎn)角分界角度為22.50°。在后續(xù)工程中，建議根據(jù)具體情況進(jìn)行分界角度調(diào)整。

表2 單管水平轉(zhuǎn)角θ≥45°鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸表

表3 雙管水平轉(zhuǎn)角θ<22.50°鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸表

表4 雙管水平轉(zhuǎn)角θ≥22.50°鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸表

圖7 各種型式水平鎮(zhèn)墩CAD圖紙

(4)水平鎮(zhèn)墩水平、垂直外包混凝土厚度以及鎮(zhèn)墩水平中心線偏移距離，是水平鎮(zhèn)墩標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的控制線參數(shù)，通過不斷對上述三個值的試算，達(dá)到鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算的要求，獲得相應(yīng)鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)尺寸。