埋地管道、箱涵抗浮计算分析

技 术 与 应 I N 海河水利 2 0 1 0 N o 4 埋地管道 箱涵抗浮计算分析 韩 月波 张丽 囡 1 天津市水利勘测设计院 天津3 0 0 2 0 4 2 天津市水利基建管理处 天津3 0 0 2 0 4 摘要 埋地管道 箱涵输水 已经成为城市 引水 供水工程的首选方式 但是 在设计 中采 用同一个计算公式 却 出现 了两种计算方法 计算结果也有所不 同 选择正确合理的抗浮稳定计算方法 科 学地确定 管涵的埋置深度 可以使 工 程在满足安全性 适用性的基础上尽量减小投 资 关键词 埋地管道 抗浮 计算方法 埋置深度 中图分类号 T V 6 7 2 2 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 4 7 3 2 8 2 0 1 0 0 4 0 0 3 5 0 3 近年 来 埋地 管道 箱 涵输 水 已经 成 为城 市 引 水 供水工程的首选方式 如 为 2 0世纪 8 0年代建 设至今仍为天津市人民造福 的引滦人津工程配套的 引滦人港 入开发区 人聚酯等供水工程采用 的是埋 地管道 南水北调 中线一期工程天津干线段采用的 是埋地箱涵 为南水北调中线一期工程天津干线配 套的各条供水线路也将采用埋地管道 埋地管道及 埋地 箱涵 具有 保护 水质 减 少永 久 占用耕 地 数量 减 少水量损失等明渠供水不可替代 的优点 埋地管道及埋地箱涵的设计 中 相关的结构 稳 定计算有很多 这里仅以埋地管道为例 就埋地管道 及埋地箱涵设计的抗浮计算提出一些看法 1 埋地管道抗浮计算的目的 埋 地管 道 抗 浮 计 算 的 目的主 要 是确 定 其 埋 深 埋地 管道 埋置 深度 的确 定 直接 影 响整个 工 程 的土 方 开挖及回填量 即影响工程投资 因此 抗浮计算不 仅仅是保证工程安全的计算 对工程投资的影响也 很大 需要 说 明的是 管 道 的埋置 深度 必须 满 足抗 浮 要求 但抗浮计算不是确定其埋深的唯一条件 2 埋地管道抗浮计算方法 管 道 的抗 浮 计算 一直 被认 为是 最 基本 最简 单 的计算 凡是搞过管道设计的人应该都很熟悉 实际 情况也确是如此 这里 以埋地管道的抗浮计算方法 为重点来介绍的原因 是在设计中采用同一个计算 公式却出现了两种计算方法 计算结果也有所不同 下 面 以 壁厚 为 1 8 mm 的 D N1 8 0 0钢 管 的抗 浮 计 收 稿 日期 2 0 1 0 0 4 2 2 作者简介 韩月渡 1 9 7 7 一 男 工程师 主要从事水利工程设计工作 算 为例来 介 绍一 下这 两种 计算 方法 计 算条 件如 图 1 所示 地 面 线 H D N 1 8 0 0钢管 一 厂 图 1 埋地管道抗浮计算条件 2 1 计算公式 计 算公 式采 用 给水 排 水工 程埋 地 钢管 管道 结 构设计规程 C E C S 1 4 1 2 0 0 2 中的公式 F G K K f F 1 式 中 F G K 为各种抗浮作用标准值之和 为浮 托 力标 准值 K f 为抗 浮稳 定性 抗力 系数 取 K f 1 1 2 2 计算 目的 确 定 满足抗 浮 要求 的管 顶 最小埋 深 H 2 3 计算参数 主要计算参数 包括回填土浮容重 1 0 k N 水 容重 1 0 k N 钢 管容 重 7 8 5 k N 钢管 外径 D 1 8 2 m 钢管内径 d 1 8 2 0 0 1 8 x 2 1 7 8 4 m 2 4 计算工况 地下水位至地面高程 管内无水 2 5 计算方法一 为简化 取 1延米管道进行计算 3 6 韩 月波 张丽 囡 埋地管道 箱涵抗浮计算分析 2 0 1 0年 8月 F G K G土 G管 G水 式 中 G G管 G水 分别为管顶上土重 管 顶上水 重 其计算 公式 分别 为 G y HD 2 管材 自重 和 G管 f D 一 d 4 G水 H D D Z r r D 2 4 2 管底所受的扬压力计算公式为 3 4 5 k H D D D 2 r r D 2 4 2 6 因此 F l K f F 可 转化 为 H D D 2 d 4 3 w ilD D 2 r r D 2 4 2 K d y H D D 一 D n v D Z 4 2 7 经计算 H I 2 8 m 2 6 计算方法二 为简化 取 1 延米管道进行计算 F G K G土 G管 8 管道 所受 的浮托 力计算 方法 为 F r r D 2 4 9 因此 F G K K y 可转化为 HD 3 m D 2 d 4 K f r r D Z 4 1 0 经计算 H 1 1 3 m 3 对两种计算方法的理解 两种计算方法 的公式看上去没有太大差别 为 什么计算结果却不同呢 我们仔细分析一下这两种 计算方法所考虑的受力分析便会明白 计算方法一考虑的各种抗浮作用 即向下 的力 分别 为管顶 上土 重 管 材 自重和管 顶上水 重 管道 所 受 的浮托力 即向上 的力 为 管底所 受 的扬压 力 计 算方 法二考 虑 的向下 的力分 别 为管顶 上 土重 和管 材 自重 管道 所受 的 向上 的力 为管 道所 受 的浮 托力 该浮托力采用阿基米德定律计算 由以上分析可看出 该两种计算方法的区别在 于方法 二所考 虑 的水 的作 用仅 为浮 托力 浮 托力是 采用阿基米德定律直接计算得出结果 而方法一所 考虑 的水 的 作 用 是 管顶 以 上 的水 重 和管 底 的扬 压 力 其实方法一所考虑的管顶以上的水重和管底的 扬压力形成合力后的结果与方法二采用阿基米德定 律直接计算得出的结果是相同的 方法一只是将方 法二的浮托力分解为向下和向上的两个力 但是 出 现最终计算结果不同的原因在于 方法一先将 由阿 基米 德定 律计算 出的浮托 力分解 为 向上和 向下 的两 个力 然后只是将向上的力乘上 了抗浮稳定性抗力 系数 K f 而方法二则是将 由阿基米德定律计算出的 浮托力直接乘以 K f 即相当于将方法一中水 的向上 和向下的作用均乘了 K f 搞清了出现不同计算结果的原因后 我们分析 一 下这两种计算方法的合理性 这两种计算方法 的区别在于方法二是采用 阿 基米 德定 律 计算 浮 托 力 而方 法 一则 是 将 阿基 米德 定律计算 的浮托力又分解为向上和向下 的两个力 如果没有抗浮稳定性抗力系数 K f 则这两种计算方 法的计算结果是相 同的 有 了 K 以后则采用方法 一 计算 出的允许最小覆土厚度 H 永 远 比采用方 法 二 计算 出 的要 大 其 原 因很 简 单 K f 是个 大 于 1 的常数 方法一将方法二中采用阿基米德定律计算 出 的 浮托 力 F分 解 为 向上 的力 F 1和 向下 的力 F 2 F F 1和 F 2均为正数 F是个定值 且 F F 1 一 F 2 显而 易见 K f F K F 1 一 F 2 K r F为 方法 二所 需 抵 抗 的 浮托 力 K F 1 一 F 2 则 为方 法 一所 需 抵抗 的浮 托 力 因此 方法一计算出的允许最小覆土厚度永远 比采 用 方 法 二 计 算 出 的要 大 抗 浮 稳 定 性 抗 力 系 数 K f 是个安全系数 工程项 目计算 中之所以要乘安全系 数 是因为有许多不确定 因素的存 在 而我们 的抗 浮计算方法一 中只给 F l 乘 了安全系数 没给 F 2 乘 相 当于将 F 2也视为不确定 因素 而实际上 F 1 和 F 2的差值是个定值 是可以确定的 因此方法二 是 比较合理的 假设某 工程需要一个 1 m 的立方 体 实 心 铁 块 放 在 1 0 0 0 m 深 的 1 0 k N 的淡 水 下 采用方法一和方法二来计算一下它的抗浮 方 法一的计算结果是 K F1 0 0 6 8 5 不满足抗 浮稳定 要求 若要满足 K f 1 1的要求还需对铁块施加一 个 大 于或 等 于 9 3 1 5 k N 的 向下 的力 而方 法 二 的 计 算结 果 则 是 K f 7 8 5 7 8 5远远 大 于 1 1 满足 抗 浮稳定要求 这个例子虽然有些极端 但是不难想 象 实心铁块放在 y 1 0 k N的淡水 中是不可能浮 起来 的 无 论放 在 多 深 的水 中其 抗 浮稳 定 也应 是 安 全 的 从而 可 以判 断 出计 算 方 法一 是不 合 理 的 方 法二是合理的 4 抗浮计算方法的选择对埋地管道 箱涵工程的影响 如前所述 管涵的抗浮计算影响其埋置深度 进 而影响工程投资 那么选择上述两种不 同的计算方 法会对管涵的埋置深度有多大影响呢 这里以不同 公称直径的钢管在一般地段铺设和 D N1 8 0 0钢管穿 越不同水深的河道为例来分析一下 4 1 不同公称直径的钢管在一般地段铺设 不同公称直径的钢管其壁厚均取其公称直径的 l 选取公称直径 D N1 0 0 0 D N 3 0 0 0钢管进行计 算 采用两种计算方法计算的满足抗浮稳定要求的 允许最小埋置深度见表 1 下转第 4 1页 2 0 1 0 N o 4 海 河水利 4 1 含钙镁成分的石灰 在总体上使亲水矿物表面吸附 的阳离子的离子价有所提高 可降低其膨胀性 此外 掺入石 灰后 石 灰与 土 中的矿 物成 分发 生 化学 反 应 使土体表面硬化 从而使土的粘粒含量有所下降 提 高压实度 同时由于石灰水化产生的水化热可降低 土体含水量和提高土体的强度 这个处理过程主要 分为 2个 步骤 1 石 灰水化 C a O H O C a OH 2 o水化 热可 吸 收土中的水分 以降低填 土含水量 同时 由于氢氧 化钙结晶的析出可改善土体性质 提高土体的压实 度 2 氢 氧化钙 硬 化 形 成 表面致 密 层 C a O H C O 2 n H 2 0 C a C O 3 n 1 H 2 0 C a C O 3 H 2 0 C O 2 C a HC O3 2 2 2 I 2 掺灰比例 由于该 工程填 土 最优 含水 量 基本 与最 小 含水 量 接 近 而 且最 大含 水量 与最 小 含水 量差 距较 大 因此 经过实验配 比验证 掺灰量为 6 时填土的含水量 在 4 4 4 9 之间 接近于最优含水量 若含水量较 高 则填土粘性较大 石灰难 以掺入 含水量过低 则 填 土 强度 高 难 以破碎 影 响碾 压效 果 3 心墙施工过程中试验控制 压实土质量控制是指通过包括探坑和探槽或者 仪器等察看填土结构是否 良好 以获得填筑土的含 水量 干密度 比重 以及无侧 限抗压强度等数据 测 试 中除发现含水量与密度存在一定程度的不相关性 外 其他数据基本与室 内试验或碾压实验中取得的 数据基本吻合 填筑结束后一个月的沉降值为 3 5 4 m m 两个月的沉 降值为 2 1 9 mm 沉降 目前正在测试中 但 是逐 渐减 小的趋势是 明显 的 压缩 系数在0 1 2 O 2 6 MP a 填土渗透系数平均值为 3 2 1 0 c m s 4 结语 上 述 的经 验仅 仅 是 根 据 特定 的环 境 条件 地 质 条件和施工条件总结出来 的 可能存在不甚完善之 处 在室 内试验 分析研究 以及 围堰心墙 设计过程 中 各种影响 因素 十分复杂 建议类 似工程应 根据 具体 的技术要求 和不 同运行工况对施 工工艺进行 调 整 上接 第 3 6页 表 1 不同管径钢管 在一般地段铺设允许最小埋置深度计算结果 DN1 O0 0 DN1 4 0 HD DNl 8 0 0 DN2 2 0 0 DN2 6 0 0 DN3 0 o O 方法 一0 7 2 1 0 0 1 2 8 1 5 6 1 8 4 2 1 2 方法二0 6 4 0 8 8 1 1 3 1 3 8 1 6 3 1 8 8 差值0 0 8 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2 1 0 2 4 由表 1 可 知 采用 两种 计算 方 法计 算 的允 许最 小埋置深度差值随着管径的增加而增加 4 2 D Nl 8 0 0钢管穿越不 同水深的河道 D N1 8 0 0钢管壁厚采用 0 0 1 8 m 选取河道深度 为 l 1 1 m进行计算 采用两种计算方法计算 的满 足抗浮稳定要求的允许最小埋置深度见表 2 表 2 D N1 8 0 0钢 管穿越不 同水深河道 允许最小埋置深度计算结果 水深 1 m 水深 3 r n 水深 5 m 水深 7 m 水深 9 m 水深 1 1 m 方 法 一 1 3 9 1 6 1 1 8 4 2 0 6 2 2 8 2 5 方 法 二 1 1 3 1 1 3 1 1 3 1 1 3 1 1 3 1 1 3 差值0 2 6 0 4 8 0 7 1 0 9 3 1 1 5 1 3 7 由表 2可知 D N1 8 0 0钢管穿 越不 同水 深的河 道 时采 用方 法二 计算 的结 果 不会 因水 深 的变 化 而变 化 采用方法一计算 的结果则随着水深的增加而增 加 增加值与水深呈线性关系 4 3 分析 通过以上两例可看出 采用方法二计算出的管 顶覆土厚度都要小于采用方法一计算 出的结果 而 且随着管径的增大和管顶 以上水深的增加 这差值 也越来越大 尤其管线穿越河道时河道水深对管顶 覆土厚度影