陈冬东
嘉兴市规划设计研究院有限公司 314000
【摘要】市政给水管道在弯头处由于给水压力的作用下，会对管道产生外推力。当外推力大于管道接口处能承受的压力时，会使管道在接口处松动发生事故。因此必须在管道弯头处设置支撑，以保证管道运行的安全。常用的支撑为标准图集《柔性接口给水管道支墩》（10S505），但此图集支墩尺寸非常大，需要占用较大的空间，而施工现场往往无法容纳大尺寸的支墩。本文研究采用优化支墩形式和改变管道接口形式，保证管道弯头处的安全稳定：通过优化支墩尺寸，确保支墩稳定的同时减少混凝土的用量；通过设置桩锚支墩，将弯头推力传递至桩基；通过改变管材接口，如采用钢管焊接接口或球墨铸铁管自描式接口，通过管道与周围土体之间的摩阻力抵抗弯头处的外推力，可不设置支墩。
【关键词】 给水压力 支墩 管道接口
1、导言
目前嘉兴市市政给水管道大部分使用球墨铸铁管材，连接方式一般为橡胶圈密封承插口，属于柔性接口。球墨铸铁管具有很好的耐腐蚀性，强度高、韧性好、耐冲击、壁薄、重量轻、安装方便等优点。但由于橡胶圈密封承插柔性接口无法传递拉力，通常在弯头处为防止接口脱落而需设置支墩。
在给水压力作用下，承插柔性接口的球墨铸铁管与周围土体之间的摩阻力无法抵消管道弯头处的作用力，而通过混凝土支墩的自重与土体的摩阻力及支墩后背的土压力来抵消管道弯头处的作用力。在标准图集《柔性接口给水管道支墩》（10S505）中，根据土体的等效内摩擦角、地基承载力、地下水条件、管径大小、管道覆土深度、管道内水压力，弯头角度等参数条件选用不同尺寸的混凝土支墩。目前设计的给水管道一般为迁建项目，施工现场往往是现状城市道路中，地下公共管线众多，管位空间小，而图集中选择的支墩尺寸却非常大，导致支墩的设置非常困难。
2、图集支墩的选用及优化
2.1图集支墩的选用
以水平弯管支墩为例，弯头支墩如图 1 所示。
图1 水平弯管支墩平、剖面图
水平向支墩承受截面外推力对支墩产生的水压合力标准值为：
F1=2?(π/4)?dn2?FK? sin（α/2） （1）
式中dn为管道接口设计内径，FK为管道设计内水压力，α为弯管的角度。
水平向支墩抗推力需满足稳定验算：
FP-F2+FF≥KS?F1 （2）
式中FP为支墩抗推力侧的被动土压力标准值，F2为支墩迎推力侧的主动土压力标准值，FF为水平向支墩滑动平面上摩擦力标准值，KS为抗滑稳定性抗力系数，取KS=1.5。
选用国标图集时，应注意支墩尺寸是随管径、管道弯管的角度、管道的设计内水压力、覆土深度、土壤等效内摩擦角、地基承载力特征值等参数的变化而变化的。图集中支墩采用素混凝土，支墩主要依靠后靠背的被动土压力FP来抵抗水压外推力，而摩擦力FF所起到的作用则相对较小，因此，增大后靠背的面积相比增大自重对支墩安全性更为有利。
2.2图集支墩的优化
为增大支墩后靠背的被动土压力FP来满足支墩抗推力的稳定验算，可采取增大支墩后靠背的面积，如图2所示，从而在仅增加部分混凝土的基础上使得支墩的稳定性大大增强，使得支墩整体尺寸减小，节约混凝土方量。
图2 图集支墩优化剖面图
以DN1000管道为例，弯管角度为90度，管顶覆土1.5米，地下水位0.5米，土壤等效内摩擦角为28度，设计内水压力为0.8MPa，选用图集《柔性接口给水管道支墩》（10S505）-101页，支墩混凝土用量为42.46m3。当采取优化后图集支墩，h取500mm，b取250mm，其余条件均相同，经过计算后得优化后支墩混凝土用量为32.69 m3，混凝土用量减少约23%。由此可见，增大支墩后靠背的面积是减小支墩尺寸的有效措施。
3、桩描式支墩
桩描式支墩是通过设置的桩基与混凝土支墩形成整体来共同提供水平向的抗推力，但单根桩的水平抗力值较小，一般需设置多根桩，从而造价相对较高。
以《嘉兴市域外配水市区分质供水工程（水厂部分）二期工程》为例，该工程为嘉兴市供水主管，总投资约为1.4亿，管径为DN1400，管材主要采用球墨铸铁管。由于管道位于现状道路，且距离现状雨水主管净距只有1.5米，如按图集设计弯管支墩，支墩宽度需6.8米，这显然不符合现场实际，因此本工程采用了桩描式支墩,在弯头支墩后靠背出设置了6根直径500mm的预制管桩，并采用混凝土包裹整个弯头形成整体，从而大大减小了支墩尺寸，解决了管位空间狭窄的问题。桩描式支墩通过桩基提供水平承载抗力，利用土壤的侧向土压力抵抗弯头处的水压外推力，由于桩基的水平抗力值一般较低，因此桩描式支墩需要较多桩数来提供足够的水平承载抗力，造价相对较高。在实际工程中，桩基可采用预制管桩、钻孔灌注桩或松木桩等。
4不设支墩式接口
常用的球墨铸铁管道接口为T形柔性接口，通过接口间设置的橡胶圈起到密封作用，橡胶圈作为承口和插口之间的媒介，其主要作用仅为止水，而无法传递拉力，如图3所示。采用其他可传递拉力的接口形式，并通过管道与周围土壤之间的摩擦力抵抗弯头处的水压外推力，从而可避免设置支墩。
图3 T型接口构造示意图
4.1钢管焊接接口
钢管一般采用焊接接口，焊缝可传递较大的拉应力，但焊缝施工速度慢，且对焊缝质量要求较高，焊缝质量检测复杂，因此一般供水工程只在弯头及弯头两侧设置一定长度的钢管，通过管道与周围土体之间的摩阻力抵抗弯头处的水压外推力。
根据《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》（CECS 141:2002）的要求，当钢管管道在敷设方向改变处一侧或两侧有柔性接头时，柔性接头距敷设方向改变处的距离L应满足下式的要求:
L≥[KS? (π/4)?dn2?FK?（1-cosα）]/FLk （3）
式中dn为管道接口设计内径，FK为管道设计内水压力，α为弯管的角度, KS为抗滑稳定性抗力系数，取KS=1.5, FLk为管道单位长度摩擦力标准值。
4.1球铁管自锚式接口
自锚式球墨铸铁管保留了普通球墨铸铁管的耐腐蚀性，强度高、韧性好、壁薄、重量轻、耐冲击、安装方便等优点，与普通球墨管相比，它在接口处增加了一套压兰压环，利用螺栓连接，这种接口的应用，使得管道接口相对强度更大，不易脱开，特别是在管线弯头较多的位置效果明显，在保持管道柔性接口的基础上，牢固地连接了管道承插口，接口地方很难脱落，大大地增加了管道输送介质的安全性，如图4所示。但自锚式接口的球墨铸铁管材价格较高，相比T形柔性接口的球墨铸铁管材价格高40%左右。
图4 自锚式接口构造示意图
5、结语
在给水压力的作用下，管道弯头处的支撑设计影响到全线管道的安全，传统支墩一般尺寸较大，在现场实际条件受到限制时，可根据实际情况设计多种形式的支撑。
1.对传统支墩进行优化设计，增大混凝土支墩后靠背的面积，增大支墩后靠背的被动土压力，在支墩整体尺寸减小的基础上使得支墩仍有足够的稳定性，从而节约混凝土方量。
2.桩描式支墩是通过设置桩基来提供水平向的抗推力，根据单桩的水平承载力计算需要的具体桩数。
3.不设支墩的管道可采用钢管焊接接口、球铁管自锚式接口，通过管道与周围土壤之间的摩擦力抵抗弯头处的水压外推力，从而可避免设置支墩。
设计人员在设置支撑时，必须从实际出发，针对具体问题做具体分析，才能确保管道在试压和运行过程中的安全。
参考文献
[1]10S505 柔性接口给水管道支墩[S].北京：中国建筑标准设计研究院，2010
[2]CECS：142-2002 给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程[S].北京：北京市市政工程设计研究总院，2002
[3]杨育红.市政给水管道柔性接口支墩优化设计[J].中国给水排水，2012，28（16）：66-67
1、导言
目前嘉兴市市政给水管道大部分使用球墨铸铁管材，连接方式一般为橡胶圈密封承插口，属于柔性接口。球墨铸铁管具有很好的耐腐蚀性，强度高、韧性好、耐冲击、壁薄、重量轻、安装方便等优点。但由于橡胶圈密封承插柔性接口无法传递拉力，通常在弯头处为防止接口脱落而需设置支墩。
在给水压力作用下，承插柔性接口的球墨铸铁管与周围土体之间的摩阻力无法抵消管道弯头处的作用力，而通过混凝土支墩的自重与土体的摩阻力及支墩后背的土压力来抵消管道弯头处的作用力。在标准图集《柔性接口给水管道支墩》（10S505）中，根据土体的等效内摩擦角、地基承载力、地下水条件、管径大小、管道覆土深度、管道内水压力，弯头角度等参数条件选用不同尺寸的混凝土支墩。目前设计的给水管道一般为迁建项目，施工现场往往是现状城市道路中，地下公共管线众多，管位空间小，而图集中选择的支墩尺寸却非常大，导致支墩的设置非常困难。
2、图集支墩的选用及优化
2.1图集支墩的选用
以水平弯管支墩为例，弯头支墩如图 1 所示。
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图1 水平弯管支墩平、剖面图
水平向支墩承受截面外推力对支墩产生的水压合力标准值为：
F1=2?(π/4)?dn2?FK? sin（α/2） （1）
式中dn为管道接口设计内径，FK为管道设计内水压力，α为弯管的角度。
水平向支墩抗推力需满足稳定验算：
FP-F2+FF≥KS?F1 （2）
式中FP为支墩抗推力侧的被动土压力标准值，F2为支墩迎推力侧的主动土压力标准值，FF为水平向支墩滑动平面上摩擦力标准值，KS为抗滑稳定性抗力系数，取KS=1.5。
选用国标图集时，应注意支墩尺寸是随管径、管道弯管的角度、管道的设计内水压力、覆土深度、土壤等效内摩擦角、地基承载力特征值等参数的变化而变化的。图集中支墩采用素混凝土，支墩主要依靠后靠背的被动土压力FP来抵抗水压外推力，而摩擦力FF所起到的作用则相对较小，因此，增大后靠背的面积相比增大自重对支墩安全性更为有利。
2.2图集支墩的优化
为增大支墩后靠背的被动土压力FP来满足支墩抗推力的稳定验算，可采取增大支墩后靠背的面积，如图2所示，从而在仅增加部分混凝土的基础上使得支墩的稳定性大大增强，使得支墩整体尺寸减小，节约混凝土方量。
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图2 图集支墩优化剖面图
以DN1000管道为例，弯管角度为90度，管顶覆土1.5米，地下水位0.5米，土壤等效内摩擦角为28度，设计内水压力为0.8MPa，选用图集《柔性接口给水管道支墩》（10S505）-101页，支墩混凝土用量为42.46m3。当采取优化后图集支墩，h取500mm，b取250mm，其余条件均相同，经过计算后得优化后支墩混凝土用量为32.69 m3，混凝土用量减少约23%。由此可见，增大支墩后靠背的面积是减小支墩尺寸的有效措施。
3、桩描式支墩
桩描式支墩是通过设置的桩基与混凝土支墩形成整体来共同提供水平向的抗推力，但单根桩的水平抗力值较小，一般需设置多根桩，从而造价相对较高。
以《嘉兴市域外配水市区分质供水工程（水厂部分）二期工程》为例，该工程为嘉兴市供水主管，总投资约为1.4亿，管径为DN1400，管材主要采用球墨铸铁管。由于管道位于现状道路，且距离现状雨水主管净距只有1.5米，如按图集设计弯管支墩，支墩宽度需6.8米，这显然不符合现场实际，因此本工程采用了桩描式支墩,在弯头支墩后靠背出设置了6根直径500mm的预制管桩，并采用混凝土包裹整个弯头形成整体，从而大大减小了支墩尺寸，解决了管位空间狭窄的问题。桩描式支墩通过桩基提供水平承载抗力，利用土壤的侧向土压力抵抗弯头处的水压外推力，由于桩基的水平抗力值一般较低，因此桩描式支墩需要较多桩数来提供足够的水平承载抗力，造价相对较高。在实际工程中，桩基可采用预制管桩、钻孔灌注桩或松木桩等。
4不设支墩式接口
常用的球墨铸铁管道接口为T形柔性接口，通过接口间设置的橡胶圈起到密封作用，橡胶圈作为承口和插口之间的媒介，其主要作用仅为止水，而无法传递拉力，如图3所示。采用其他可传递拉力的接口形式，并通过管道与周围土壤之间的摩擦力抵抗弯头处的水压外推力，从而可避免设置支墩。
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图3 T型接口构造示意图
4.1钢管焊接接口
钢管一般采用焊接接口，焊缝可传递较大的拉应力，但焊缝施工速度慢，且对焊缝质量要求较高，焊缝质量检测复杂，因此一般供水工程只在弯头及弯头两侧设置一定长度的钢管，通过管道与周围土体之间的摩阻力抵抗弯头处的水压外推力。
根据《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》（CECS 141:2002）的要求，当钢管管道在敷设方向改变处一侧或两侧有柔性接头时，柔性接头距敷设方向改变处的距离L应满足下式的要求:
L≥[KS? (π/4)?dn2?FK?（1-cosα）]/FLk （3）
式中dn为管道接口设计内径，FK为管道设计内水压力，α为弯管的角度, KS为抗滑稳定性抗力系数，取KS=1.5, FLk为管道单位长度摩擦力标准值。
4.1球铁管自锚式接口
自锚式球墨铸铁管保留了普通球墨铸铁管的耐腐蚀性，强度高、韧性好、壁薄、重量轻、耐冲击、安装方便等优点，与普通球墨管相比，它在接口处增加了一套压兰压环，利用螺栓连接，这种接口的应用，使得管道接口相对强度更大，不易脱开，特别是在管线弯头较多的位置效果明显，在保持管道柔性接口的基础上，牢固地连接了管道承插口，接口地方很难脱落，大大地增加了管道输送介质的安全性，如图4所示。但自锚式接口的球墨铸铁管材价格较高，相比T形柔性接口的球墨铸铁管材价格高40%左右。
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图4 自锚式接口构造示意图
5、结语
在给水压力的作用下，管道弯头处的支撑设计影响到全线管道的安全，传统支墩一般尺寸较大，在现场实际条件受到限制时，可根据实际情况设计多种形式的支撑。
1.对传统支墩进行优化设计，增大混凝土支墩后靠背的面积，增大支墩后靠背的被动土压力，在支墩整体尺寸减小的基础上使得支墩仍有足够的稳定性，从而节约混凝土方量。
2.桩描式支墩是通过设置桩基来提供水平向的抗推力，根据单桩的水平承载力计算需要的具体桩数。
3.不设支墩的管道可采用钢管焊接接口、球铁管自锚式接口，通过管道与周围土壤之间的摩擦力抵抗弯头处的水压外推力，从而可避免设置支墩。
设计人员在设置支撑时，必须从实际出发，针对具体问题做具体分析，才能确保管道在试压和运行过程中的安全。
参考文献
[1]10S505 柔性接口给水管道支墩[S].北京：中国建筑标准设计研究院，2010
[2]CECS：142-2002 给水排水工程埋地铸铁管管道结构设计规程[S].北京：北京市市政工程设计研究总院，2002
[3]杨育红.市政给水管道柔性接口支墩优化设计[J].中国给水排水，2012，28（16）：66-67