埋地管道、箱涵抗浮计算分析

埋地管道、箱涵抗浮计算分析 · 技术与应．IN · 海河水利2010．No．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 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...

· 技术与应．IN · 海河水利2010．No．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 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水、供水工程的首选方式。如，为20世纪 80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 18 mm的 DN1800钢管的抗浮计收稿日期：2010—04—22 作者简介：韩月渡(1977一)，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 DN 1800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>>(CECS 141—2002)中的公式： ∑FGK==KfF (1) 式中：∑FGK为各种抗浮作用标准值之和；．为浮托力标准值；Kf为抗浮稳定性抗力系数，取 Kf--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( )=10 kN、水容重( )=10 kN、钢管容重( )=78．5 kN、钢管外径 (D)=1．82 m、钢管内径(d)=1．82—0．018x2=1．784 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。 · 36 · 韩月波，张丽囡：埋地管道、箱涵抗浮计算分析 2010年 8月 ∑FGK=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= HD+ (DZ-'rrD2／4)／2 管底所受的扬压力计算公式为： (3) (4) (5) ． k= (H+D)D— (D2-,rrD2／4)／2 (6) 因此，∑F。l(=KfF 可转化为： HD+ (D2-d )／4+(3'wilD+ (D2_,rrD2／4)／2)= Kdy (H+D)D一 (D -nvDZ／4)／2] (7) 经计算，H=I．28 m。 2．6 计算方法二为简化，取 1延米管道进行计算。 ∑FGK=G土+G管 (8) 管道所受的浮托力计算方法为： F =％,rrD2／4 (9) 因此，∑FGK=Ky 可转化为： HD+3'm(D2-d )／4=Kf％,rrDZ／4 (10) 经计算，H=1．13 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 Kf，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 Kf，即相当于将方法一中水的向上和向下的作用均乘了 Kf。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 Kf，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，Kf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 F1和向下的力 F2 (F、F1和 F2均为正数)，F是个定值，且 F=F1一F2，显而易见 KfF

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