埋地管道、箱涵抗浮计算分析.pdf

技术与应用
海河水利2010.No.4
埋地管道、箱涵抗浮计算分析
韩月波,张丽圆2
(1.天津市水利勘測设计院,天津300204;2.天津市水利基建管理处,天津300204)
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:TV672.2
文献标识码:A
文章编号:1004-7328(2010)04-0035-03
近年来,埋地管道、箱涵输水已经成为城市引算为例来介绍一下这两种计算方法
水、供水工程的首选方式。如,为20世纪80年代建
计算条件如图1所示:
设至今仍为天津市人民造福的引滦入津工程配套的
地面线
引滦入港、人开发区、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于线段采用的
是埋地箱涵,为南水北调中线一期工程天津干线配
N1800钢管
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。
图1埋地管道抗浮计算条件
1埋地管道抗浮讦算的目的
2.1计算公式
埋地管道抗浮计算的目的主要是确定其埋深。
计算公式采用《给水排水工程埋地钢管管道结
埋地管道埋置深度的确定直接影响整个工程的土方构设计规程》(CECS141-2002)中的公式
开挖及回填量,即影响工程投资。因此,抗浮计算不
∑Fex=KF
仅仅是保证工程安全的计算,对工程投资的影响也式中:∑Fx为各种抗浮作用标准值之和;Fwk为浮
很大。需要说明的是,管道的埋置深度必须满足抗浮托力标准值;K为抗浮稳定性抗力系数,取K=l.1。
要求,但抗浮计算不是确定其埋深的唯一条件。
2.2计算目的
2埋地管道抗浮计算方法
确定满足抗浮要求的管顶最小埋深(H)
管道的抗浮计算一直被认为是最基本、最简单2.3计算参数
的计算。凡是搞过管道设计的人应该都很熟悉,实际
主要计算参数,包括回填土浮容重(Y.)=10k
情况也确是如此。这里,以埋地管道的抗浮计算方法水容重(Yu)=10kN、钢管容重(Y)=78.5kN、钢管外径
为重点来介绍的原因,是在设计中采用同一个计算(D)=1.82m、钢管内径(d)=1.82-0.018x2=1.784m。
公式却出现了两种计算方法,计算结果也有所不同。2.4计算エ况
下面,以壁厚r为18mm的DN1800钢管的抗浮计
地下水位至地面高程,管内无水
2.5计算方法一
收稿日期:2010-04-22
作者简介:韩月波(1977-),男,工程师,主要从事水利工程设计工作。
为简化,取1延米管道进行计算。
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韩月波,张丽囡:埋地管道箱涵抗浮计算分析
2010年8月
∑Fx=C++C管+G水
2)
搞清了出现不同计算结果的原因后,我们分析
式中:G+、GG*分别为管顶上土重、管材自重和一下这两种计算方法的合理性。
管顶上水重。其计算公式分别为
这两种计算方法的区别在于方法二是采用阿
G+=Y, HD
(3)基米德定律计算浮托力,而方法一则是将阿基米德
G m=y(D2-d2)/4
(4)定律计算的浮托力又分解为向上和向下的两个力。
G *=Y HD+Y, (D-MD/4)/2
5)如果没有抗浮稳定性抗力系数K,则这两种计算方
管底所受的扬压力计算公式为
法的计算结果是相同的,有了K以后则采用方法
Fw K=y,(H+D)D-Y(D2-MD/4)/2(6
计算出的允许最小覆土厚度(H)永远比采用方
因此,∑Fex=KFk可转化为
法二计算出的要大。其原因很简单,K:是个大于
HD+m(D2-d2)4+(YHD+Yy.(D2-TD4)2)=的常数,方法一将方法一中采用阿基米德定律计算
Kry.(H+D)D-Y(D*-MD14)/2
(7)出的浮托力F分解为向上的力F1和向下的力F2
经计算,H=1.28m
(F、F1和F2均为正数),F是个定值,且F=F1l-F2,
2.6计算方法二
显而易见KF为简化,取1延米管道进行计算。
浮托力,K(F1-F2)则为方法一所需抵抗的浮托力。
∑Fx=C:+G件
(8)因此,方法一计算出的允许最小覆土厚度永远比采
管道所受的浮托力计算方法为:
用方法二计算出的要大。抗浮稳定性抗力系数K
Fm.k=YTD/4
(9)是个安全系数,工程项目计算中之所以要乘安全系
因此,∑F=KFwk可转化为
数,是因为有许多不确定因素的存在,而我们的抗
YHD+Ym(D2-d2)4=K.TD2/4(10)浮计算方法一中只给F1乘了安全系数,没给F2
经计算,H=1.13m。
乘,相当于将F2也视为不确定因素,而实际上F1
3对两种计算方法的理解
和F2的差值是个定值,是可以确定的,因此方法二
两种计算方法的公式看上去没有太大差别,为是比较合理的。假设某工程需要一个1m3的立方
什么计算结果却不同呢?我们仔细分析一下这两种体实心铁块放在1000m深的y=10kN的淡水
计算方法所考虑的受力分析便会明白。
下,采用方法一和方法二来计算一下它的抗浮,方
计算方法一考虑的各种抗浮作用(即向下的力)法一的计算结果是K=1.00685,不满足抗浮稳定
分别为管顶上土重管材自重和管顶上水重,管道所要求,若要满足K≥1.1的要求还需对铁块施加
受的浮托力(即向上的力)为管底所受的扬压力。
个大于或等于931.5kN的向下的力;而方法二的
计算方法二考虑的向下的力分别为管顶上土重计算结果则是K=7.85,7.85远远大于1.1,满足抗
和管材自重,管道所受的向上的力为管道所受的浮浮稳定要求。这个例子虽然有些极端,但是不难想
托力(该浮托力采用阿基米德定律计算)。
象,实心铁块放在Y-=10kN的淡水中是不可能浮
由以上分析可看出,该两种计算方法的区别在起来的,无论放在多深的水中其抗浮稳定也应是安
于方法二所考虑的水的作用仅为浮托力,浮托力是全的,从而可以判断出计算方法一是不合理的、方
采用阿基米德定律直接计算得出结果;而方法一所法二是合理的。
考虑的水的作用是管顶以上的水重和管底的扬压4抗浮计算方法的选择对埋地管道、箱涵工程的影响
力。其实方法一所考虑的管顶以上的水重和管底的
如前所述,管涵的抗浮计算影响其埋置深度,进
扬压力形成合力后的结果与方法二采用阿基米德定而影响工程投资。那么选择上述两种不同的计算方
律直接计算得出的结果是相同的,方法一只是将方法会对管涵的埋置深度有多大影响呢?这里以不同
法二的浮托力分解为向下和向上的两个力。但是,出公称直径的钢管在一般地段铺设和DN1800钢管穿
现最终计算结果不同的原闼在于: