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1、目 录1. 计算总说明11.1 计算的目的与要求11.2 依据资料及参考书目11.3 计算原则与假定11.4 符号说明22. 计算过程22.1 镇墩结构设计22.1.1 基本资料22.1.2 最高水位运行工况下下作用在镇墩上的基本荷载42.1.3 检修条件下作用在镇墩上的基本荷载62.1.4校核情况下作用于镇墩的校核荷载（水压试验）62.1.5 荷载组合后的水平、垂直分力72.1.6 抗滑稳定需要的体积力142.1.7 镇墩体积及几何尺寸拟定152.1.8 地基应力及抗滑稳定系数162.2 镇墩结构设计192.2.1 基本资料192.2.2 最高水位运行工况下下作用在镇墩上的基本荷载202.2
2、.3 检修条件下作用在镇墩上的基本荷载222.2.4校核情况下作用于镇墩的校核荷载（水压试验）222.2.5 荷载组合后的水平、垂直分力232.2.6 抗滑稳定需要的体积力302.2.7 镇墩体积及几何尺寸拟定302.2.8 地基应力及抗滑稳定系数313成果分析34+水电站镇墩结构计算书1. 计算总说明1.1 计算的目的与要求本计算书对+水电站技施阶段镇墩结构进行设计。镇墩设计主要完成的内容有： 计算不同工况下镇墩所受的荷载； 确定抗滑稳定所需要的体积力； 根据计算的体积力，拟定镇墩的型式、形状和几何尺寸； 校核地基承载力，拟定钢管与镇墩、镇墩与地基间的固结设施。1.2 依据资料及参考书目小型
3、水电站机电设计手册 金属结构 水利电力出版社 1991.8水电站压力钢管设计规范（SL281-2003）中国水利水电出版社 2003.3 +水电站初设报告第五章（工程布置及建筑物） +水电站招标阶段引水发电系统设计图纸一套1.3 计算原则与假定 见附图1+水电站引水发电系统纵剖面图，选取和镇墩作为计算镇墩，计算不同工况下作用在镇墩上的荷载，在满足抗滑稳定和地基允许承载力的条件下拟定镇墩的结构尺寸； 假定管道沿程水锤升压成线性变化，管道轴线上任意一点的的水锤升压最大值为：，式中表示进水口到钢管末端（蝶阀处）的轴线长度，表示点到进水口的轴线长度，表示钢管末端水锤升压最大值；（说明：水锤升压最大值利
4、用+水电站初设报告第五章表5.4-4的计算成果。） 为安全计，计算水头时不考虑水头损失和尾水渠尾水的影响； 钢管附件重按钢管主材12%计。1.4 符号说明1 轴向力 钢管金属结构自重的轴向分力； 镇墩内弯管前、后端水压力； 镇墩前后两个伸缩节端面水压力； 温度变化时，伸缩节止水填料对钢管变形的摩擦力； 温度变化时，中间支墩对钢管变形的摩擦力（传给镇墩的摩擦力）； 弯管中水流离心力的管轴向分力。2 垂直管轴的法向力镇墩前、后钢管自重及水重形成对镇墩的法向分力。计算时，镇墩的上游侧仅记入半个跨段，镇墩下游侧则计算至伸缩节。3 其它力 镇墩自重。2. 计算过程2.1 镇墩结构设计2.1.1 基本资料
5、根据技施阶段+电站前池水力学计算的计算成果：最高水位：最低水位：管道末端中心线高程：最高水位对应压力管道末端水锤升压最大值：采用+电站引水发电管道水力计算的计算成果。 钢管：钢管内径，计算壁厚 ； 进水口到管道末端轴线长度，主管段最大引用流量，相应流速为：； 镇墩的四个计算点、到进水口的轴线长度及前池最高水位对应的静水头见附图2，最高水位对应的管道末端的静水头；镇墩上游方向伸缩节（记为点）到进水口轴线距离：；水锤升压：；静水头：；计算水头：；镇墩上游端（记为点）到进水口轴线距离：；水锤升压：；静水头：；计算水头：；镇墩下游端（记为点）到进水口轴线距离：；水锤升压：；静水头：；计算水头：；镇墩下
6、游方向伸缩节（记为点）到进水口轴线距离：；水锤升压：；静水头：；计算水头：； 支墩采用带支承环的滑动式支墩，钢管与支承环摩擦系数：（查小型水电站机电设计手册 金属结构部分表15-9）； 伸缩节内止水盘根用油浸麻及橡皮圈，止水盒宽，平均摩擦系数； 镇墩上游端至伸缩节的管轴长：，下游端至伸缩节长：； 支墩间距：； 地基与镇墩摩擦系数； 地基容许承载力；说明：地质参数依据地质互提资料单，见附页。2.1.2 最高水位运行工况下下作用在镇墩上的基本荷载镇墩上游方向敷设角为，下游方向敷设角为。基本荷载： 钢管自重的轴向分力上游方向 管壁重 记入附件增重12%后 下游方向管壁重 记入附件增重12%后 镇墩上
7、、下游端内水压力（转弯处的内水压力）上游端 下游端 伸缩节管端水压力（接头处边缝处内水压力）上游伸缩节 下游伸缩节 温度变化时，伸缩节止水盘根对管壁摩擦力。考虑在进行水压试验时不应产生漏水现象，参考小型水电站机电设计手册（金属结构部分）第428页，盘根压缩力可取为计算水压力的1.25倍。上游伸缩节 下游伸缩节 温度变化时，支墩对管壁的摩擦力（传给镇墩的摩擦力）上游方向 记入附件重量0.12，实际单位长管重 则 下游方向 （下游方向伸缩节至镇墩之间无支墩） 镇墩中弯管水流离心力的轴向分力 镇墩前、后钢管（记入水重）对镇墩的法向力镇墩前半跨管的法向力镇墩后管段的法向力2.1.3 检修条件下作用在镇
8、墩上的基本荷载作为短暂设计工况，压力钢管内无水，此时无须考虑水压力的影响，只考虑，和的作用。 钢管自重轴向分力上游方向 下游方向 温度变化时，伸缩节止水盘根对管壁的摩擦力上游伸缩节 下游伸缩节 温度变化时，支墩对管壁的摩擦力（传给镇墩的摩擦力）上游方向 下游方向 镇墩前、后钢管对镇墩的法向力镇墩前半跨管的法向力 镇墩后管段的法向力 2.1.4校核情况下作用于镇墩的校核荷载（水压试验）参照水电站压力钢管设计规范（DL/T5141-2001）第5页“”现场水压试验的压力值取正常情况最高内水压力设计值（含水锤）的1.25倍。水压实验情况属于短暂设计工况，不考虑温度变化产生的影响；水压试验时，不考虑弯
9、管水流离心力的作用。只考虑，和的作用。 钢管自重的轴向分力 上游方向 下游方向 镇墩上、下游端内水压力上游端 下游端 伸缩节管端水压力上游伸缩节 下游伸缩节 镇墩前、后钢管对镇墩的法向力镇墩前半跨管的法向力 镇墩后管段长的法向力 2.1.5 荷载组合后的水平、垂直分力2.1.5.1运行工况（前池最高水位时）基本荷载简图见下图2.1-1。 温升时自上游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 温升时总的水平推力、垂直力分别为 温降时基本荷载简图见图2.1-2。自上游方向指向镇墩 水平方向分力 垂
10、直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 温降时总的水平推力、垂直力分别为 2.1.5.2检修工况 温升时基本荷载简图见图2.1-3。自上游方向指向镇墩水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 温升时总的水平推力、垂直力分别为 温降时基本荷载简图见图2.1-4。自上游方向指向镇墩水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 温降时总的水平推力、垂直力分别
11、为 2.1.5.3校核状况（水压试验）基本荷载简图见图2.1-5。 自上游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 总的水平推力、垂直力分别为2.1.5.4计算成果汇总综合以上不同工况下的成果，列表如下：表2.1-1 计算成果序计算值运行工况检修状况水压试验情况温升温降温升温降1水平推力（）82.63-316.81-107.54391.15-160.852垂直压力（）976.72481.69135.8398.43815.49说明：水平力以向右（下游）为正，垂直力以竖直向下为正，反之为负。2.1
12、.6 抗滑稳定需要的体积力在镇墩与地基间摩擦系数为的情况下，镇墩体积由水平推力最大、向下垂直力最小（或向上垂直力最大）的那一组力决定。通过计算可知，检修状况温降时所需要的镇墩的体积最大。镇墩的抗滑稳定计算公式： 式中：为抗滑稳定系数，。取； 为镇墩与地基之间摩擦系数，； 为平行于地基开挖面推力之和，单位； 垂直于地基开挖面垂直力之和，单位。所以，抗滑稳定体积力 2.1.7 镇墩体积及几何尺寸拟定由2.1.6节计算结果知检修状况温降时所需要的镇墩的体积最大，则镇墩的最小体积由式计算。镇墩重度取，镇墩包裹的钢管长度按考虑，水的体积。所需镇墩最小体积：拟定镇墩几何尺寸时，按地基容许承载力粗估基础面积
13、。由表2.1-1可知方向向下的最大垂直力为，记入镇墩重量，总的垂直力最大值为地基不均匀系数取。因此，最小基础面积为 按构造要求，钢管两侧混凝土厚采用0.4，即，镇墩最小宽度，根据初步计算确定基础面宽度为，基础面最小长度为：按裹住弯管及部分直管段要求，基础面长度取。综合上述诸方面，采用基础面积。镇墩需要的最小平均高度为。镇墩底面可设计成齿形面，放在坚固、完整的基岩上，镇墩底面最好垂直于各组荷载组合中合力最大的方向。同时应考虑基岩的产状、层面、主节理方向及倾角等，防止沿层面或节理滑动。若在完整的厚岩层基岩上设计镇墩，还可以以比较薄的混凝土墩体配合插入基础的锚杆，以减小镇墩体积。地基条件许可时，直接
14、利用基岩及锚杆固定钢管。依据镇墩所处地质地形条件，镇墩设计成全封闭形式，见附图3镇墩结构简图。2.1.8 地基应力及抗滑稳定系数 地基应力计算镇墩纵剖面简化图见图2.1-6。 镇墩的几何形状以管轴为中心左右对称，按平面问题计算镇墩纵剖面的形心位置。见图2.1-6，利用CAD软件求出：形心离下游边缘距离为3.432m，距底部距离为2.749m。已知各工况下作用力集中在前后管轴的交点上，计算各作用力及镇墩自重对基础面中心的力矩，以垂直力和力矩值计算镇墩基础应力，计算简图见图2.1-7。 水平轴力距镇墩底面中心O的距离为3.00m,垂直力通过底面中心O，镇墩重力距底面中心O的水平距离为0.068m。
15、镇墩的体积 重度取，水的体积，则 镇墩基底应力计算成果见表2.1-2。 镇墩的抗滑稳定系数镇墩抗滑安全系数：式中，见表2.1-2中第4项，见表2.11。列表计算如下。表2.1-3 镇墩抗滑安全系数运行工况检修状况水压试验情况温升温降温升温降20.004.5912.243.339.87由表2.1-3计算成果可知镇墩能满足抗滑稳定的要求。表2.1-2 镇墩地基应力序运行工况检修状况水压试验镇墩重力作用备注温升温降温升温降1水平推力形成力矩（顺时针为正，）第 三项 和第 四项 应记 入镇 墩重 力作 用2垂直力形成力矩（顺时针为正，）000003力矩总和（）462.40-735.92-108.119
16、58.94-268.044垂直力总和（）4131.223636.193290.333252.933969.995对基础中心偏心矩（）0.11 -0.20 -0.03 0.29 -0.07 6镇墩上游边缘应力（）98.29 112.29 89.03 63.97 110.52 7镇墩下游边缘应力（）119.15 79.09 84.15 107.23 98.43 镇墩地基应力计算公式： 。即为表2.1-2中第4项，为表2.1-2中第5项，。由计算结果可知地基应力值远小于地基允许承载力。2.2 镇墩结构设计2.2.1 基本资料最高水位：最低水位：管道末端中心线高程：最高水位对应压力管道末端水锤升压最大
17、值：查+水电站初设报告第五章表5.4-4的计算成果； 钢管：钢管内径，计算壁厚 ； 进水口到管道末端轴线长度，主管段最大引用流量，相应流速为：； 镇墩的四个计算点、到进水口的轴线长度及前池最高水位对应的静水头见附图2，最高水位对应的管道末端的静水头；镇墩上游方向伸缩节（记为点）到进水口轴线距离：；水锤升压：；静水头：；计算水头：；镇墩上游端（记为点）到进水口轴线距离：；水锤升压：；静水头：；计算水头：；镇墩下游端（记为点）到进水口轴线距离：；水锤升压：；静水头：；计算水头：；镇墩下游方向伸缩节（记为点）到进水口轴线距离：；水锤升压：；静水头：；计算水头：； 支墩采用带支承环的滑动式支墩，钢管与
18、支承环摩擦系数：； 伸缩节内止水盘根用油浸麻及橡皮圈，止水盒宽，平均摩擦系数； 镇墩上游端至伸缩节的管轴长：，下游端至伸缩节长：； 支墩间距：； 地基与镇墩摩擦系数； 地基容许承载力；说明：以上地质参数参考+水电站初设报告第五章表5.1-8的成果。2.2.2 最高水位运行工况下下作用在镇墩上的基本荷载镇墩上游方向敷设角为，下游方向敷设角为。基本荷载： 钢管自重的轴向分力上游方向 管壁重 记入附件增重12%后 下游方向管壁重 记入附件增重12%后 镇墩上、下游端内水压力（转弯处的内水压力）上游端 下游端 伸缩节管端水压力（接头处边缝处内水压力）上游伸缩节 下游伸缩节 温度变化时，伸缩节止水盘根对
19、管壁摩擦力。考虑在进行水压试验时不应产生漏水现象，参考小型水电站机电设计手册（金属结构部分）第428页，盘根压缩力可取为计算水压力的1.25倍。上游伸缩节 下游伸缩节 温度变化时，支墩对管壁的摩擦力（传给镇墩的摩擦力）上游方向 记入附件重量0.12，实际单位长管重 则 下游方向 （下游方向伸缩节至镇墩之间无支墩） 镇墩中弯管水流离心力的轴向分力 镇墩前、后钢管（记入水重）对镇墩的法向力镇墩前半跨管的法向力镇墩后管段的法向力2.2.3 检修条件下作用在镇墩上的基本荷载作为短暂设计工况，压力钢管内无水，此时无须考虑水压力的影响，只考虑，和的作用。 钢管自重轴向分力上游方向 下游方向 温度变化时，伸
20、缩节止水盘根对管壁的摩擦力上游伸缩节 下游伸缩节 温度变化时，支墩对管壁的摩擦力（传给镇墩的摩擦力）上游方向 下游方向 镇墩前、后钢管对镇墩的法向力镇墩前半跨管的法向力 镇墩后管段的法向力 2.2.4校核情况下作用于镇墩的校核荷载（水压试验）参照水电站压力钢管设计规范（DL/T5141-2001）第5页“”现场水压试验的压力值取正常情况最高内水压力设计值（含水锤）的1.25倍。水压实验情况属于短暂设计工况，不考虑温度变化产生的影响；水压试验时，不考虑弯管水流离心力的作用。只考虑，和的作用。 钢管自重的轴向分力 上游方向 下游方向 镇墩上、下游端内水压力上游端 下游端 伸缩节管端水压力上游伸缩节
21、 下游伸缩节 镇墩前、后钢管对镇墩的法向力镇墩前半跨管的法向力 镇墩后管段长的法向力 2.2.5 荷载组合后的水平、垂直分力2.2.5.1运行工况（前池最高水位时）基本荷载简图见下图2.2-1。 温升时自上游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 温升时总的水平推力、垂直力分别为 温降时基本荷载简图见图2.2-2。自上游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 温降时总的水平推力、垂直力分别
22、为 2.2.5.2检修工况 温升时基本荷载简图见图2.2-3。自上游方向指向镇墩水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 温升时总的水平推力、垂直力分别为 温降时基本荷载简图见图2.2-4。自上游方向指向镇墩水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 温升时总的水平推力、垂直力分别为 2.2.5.3校核状况（水压试验）基本荷载简图见图2.2-5。自上游方向指向镇墩 水平方向分力 垂直方向分力 自下游方向指向镇墩 水平方向分
23、力 垂直方向分力 法向力的水平分力 的垂直分力 的水平分力 的垂直分力 总的水平推力、垂直力分别为2.2.5.4计算成果汇总综合以上不同工况下的成果，列表如下：表2.2-1 计算成果序计算值运行工况检修状况水压试验情况温升温降温升温降1水平推力（）1125.31-60.85175.93-50.81664.522垂直压力（）-1335.21-690.81-321.35492.211301.75说明：水平力以向右（下游）为正，垂直力以竖直向下为正，反之为负。2.2.6 抗滑稳定需要的体积力在镇墩与地基间摩擦系数为的情况下，镇墩体积由水平推力最大、向下垂直力最小（或向上垂直力最大）的那一组力决定。通
24、过计算可知，运行工况温升时所需要的镇墩的体积最大。镇墩的抗滑稳定计算公式： 式中：为抗滑稳定系数，。取； 为镇墩与地基之间摩擦系数，； 为平行于地基开挖面推力之和，单位； 垂直于地基开挖面垂直力之和，单位。所以，抗滑稳定体积力 2.2.7 镇墩体积及几何尺寸拟定由2.2.6节计算结果知运行工况温升时所需要的镇墩的体积最大，则镇墩的最小体积由式计算。镇墩重度取，镇墩包裹的钢管长度按考虑，水的体积 所需镇墩最小体积：拟定镇墩几何尺寸时，按地基容许承载力粗估基础面积。由表2.2-1可知方向向下的最大垂直力为，记入镇墩重量，总的垂直力最大值为地基不均匀系数取。因此，最小基础面积为 按构造要求，钢管两侧
25、混凝土厚采用0.4，即，镇墩最小宽度，根据初步计算确定基础面宽度为，基础面最小长度为：按裹住弯管及部分直管段要求，基础面长度取。综合上述诸方面，采用基础面积。镇墩需要的最小平均高度为。镇墩底面可设计成齿形面，放在坚固、完整的基岩上，镇墩底面最好垂直于各组荷载组合中合力最大的方向。同时应考虑基岩的产状、层面、主节理方向及倾角等，防止沿层面或节理滑动。若在完整的厚岩层基岩上设计镇墩，还可以以比较薄的混凝土墩体配合插入基础的锚杆，以减小镇墩体积。地基条件许可时，直接利用基岩及锚杆固定钢管。依据镇墩所处地质地形条件，镇墩设计成全封闭形式，见附图4镇墩结构简图。2.2.8 地基应力及抗滑稳定系数 地基应
26、力计算计算地基应力的时候，将镇墩底面进行适当的简化，如图2.2-6所示。镇墩的几何形状以管轴为中心左右对称，按平面问题计算镇墩纵剖面的形心位置。见图2.2-6，利用CAD软件求出：形心离下游边缘距离为5.355m，距底部距离为5.095m。已知各工况下作用力集中在前后管轴的交点上，计算各作用力及镇墩、镇墩内钢管水重（检修时，不考虑水重）对镇墩地面中心的力矩，以垂直力和力矩值计算镇墩基础应力，计算简图见图2.2-7。水平轴力距镇墩底面中心O的距离为7.00m,垂直力距底面中心O距离为0.50m，镇墩重力距底面中心O的距离为0.355m。镇墩的体积 ，重度取，水的体积，则 镇墩基底应力计算成果见表
27、2.2-2。 镇墩的抗滑稳定系数镇墩抗滑安全系数：式中，见表2.2-2中第4项，见表2.2-1。列表计算如下。表2.2-3 镇墩抗滑安全系数运行工况检修状况水压试验情况温升温降温升温降2.6352.8119.1172.566.04由表2.2-3可知镇墩能满足抗滑稳定的要求。表2.2-2 镇墩地基应力序运行工况检修状况水压试验镇墩重力作用备注温升温降温升温降1水平推力形成力矩（顺时针为正，）第三项和第四项应记入镇墩重力作用2垂直力形成力矩（顺时针为正，）3力矩总和（）4112.27-3868.65-2026.46-3206.852205.234垂直力总和（）7389.548033.948403.
28、409216.9610026.505对基础中心偏心矩（）0.56 -0.48 -0.24 -0.35 0.22 6镇墩上游边缘应力（）129.53 272.50 253.14 293.19 229.04 7镇墩下游边缘应力（）259.39 150.34 189.15 191.92 298.67 镇墩地基应力计算公式： 。即为表2中第4项，为表2中第5项，。由计算结果可知地基应力值小于地基允许承载力。3成果分析 通过以上的计算可知，拟定的镇墩结构尺寸能够满足抗滑稳定及地基允许应力的要求。可根据工程措施和地质条件进行适当的优化。镇墩计算成果表汇总如下： 表3-1 、镇墩抗滑稳定及基底应力计算成果表
29、 运行工况检修工况水压试验温升温降温升温降镇墩抗滑稳定安全系数20.004.5912.243.339.87基底应力上游侧（kPa）98.29 112.29 89.03 63.97 110.52 下游侧（kPa）119.15 79.09 84.15 107.23 98.43 镇墩抗滑稳定安全系数2.6352.8119.1172.566.04基底应力上游侧（kPa）129.53 272.50 253.14 293.19 229.04 下游侧（kPa）259.39 150.34 189.15 191.92 298.67 计算过程中水力计算成果引用的是初设阶段的成果，待招标水力计算成果完成后进行复核。伸缩节部分采用的是传统的套筒式伸缩节受力分析，根据招标后的波纹管的资料进行复核。地质资料互提资料单及其它参考资料见附页。
