一、為什么大口徑閥門要“配座”
DN≥600 mm 的刀閘閥,自重往往超過 1 t,關(guān)閉時(shí)水推力可達(dá)數(shù)十噸。若直接落在管底,管道會(huì)像蹺蹺板一樣下沉、開裂。支墩(thrust block)就是給閥門“搬一把椅子”,把水推力安全地傳給大地,避免管道“閃腰”。
二、計(jì)算思路一句話:
支墩尺寸 = 水推力 ÷ 地基允許承載力 × 安全系數(shù)
看似簡單,卻牽涉 4 個(gè)關(guān)鍵參數(shù):推力、土壓、混凝土、螺栓。下面逐步拆解。
三、第 1 步:算清水推力 F
刀閘閥全關(guān)時(shí),水推力等于閥門兩側(cè)壓差乘以閘板面積:
F = ΔP × A
ΔP:設(shè)計(jì)壓差,一般取 1.5 倍工作壓力(MPa);
A:閘板受水壓面積,可近似用閥門內(nèi)徑面積 A = πD2/4(mm2)。
例:DN800(D=0.8 m),工作壓力 1.0 MPa,則 ΔP = 1.5 MPa
F = 1.5×10? Pa × π×0.82/4 ≈ 754 kN ≈ 77 t。
四、第 2 步:確定地基允許承載力 σa
市政工程常用三類地基:
原狀黏土:σa = 100–150 kPa
回填砂:σa = 80–120 kPa
碎石夯實(shí):σa = 200–300 kPa
若無地勘報(bào)告,可按最不利 100 kPa 保守取值。
五、第 3 步:選混凝土等級(jí)與安全系數(shù)
C25 混凝土軸心抗壓設(shè)計(jì)值 fcd = 11.9 MPa,但我們關(guān)心的是“土—混凝土”整體滑動(dòng),而非混凝土壓碎,故常把混凝土視作剛體,用土壓控制。
安全系數(shù) K:
無地下水:K = 1.5
有地下水:K = 2.0(土體摩阻降低)
六、第 4 步:支墩底面積 A_base 初估
A_base = (F × K) / σa
接上例:F = 754 kN,K = 1.5,σa = 100 kPa
A_base = 754×1.5 / 100 ≈ 11.3 m2
用正方形布置,邊長 L = √11.3 ≈ 3.35 m,可取 3.4 m×3.4 m。
七、第 5 步:校核滑動(dòng)與傾覆
抗滑:
滑動(dòng)力 = F = 754 kN
抗滑力 = μ × N
μ:土-混凝土摩擦系數(shù),黏土 0.3,砂土 0.4,碎石 0.5
N:支墩自重 + 覆土重
若支墩厚 1.2 m,混凝土容重 25 kN/m3
自重 = 3.4×3.4×1.2×25 ≈ 347 kN
覆土 0.5 m:3.4×3.4×0.5×18 ≈ 104 kN
N = 347 + 104 = 451 kN
抗滑力 = 0.4×451 = 180 kN < 754 kN → 不滿足!
措施:
抗傾覆:
傾覆力矩 = F × h?(閥門中心到支墩底距離,一般 0.8–1.0 m)
抗傾覆力矩 = N × L/2
繼續(xù)上例:
傾覆力矩 = 754×0.9 = 679 kN·m
抗傾覆力矩 = 451×4.5/2 = 1015 kN·m
679 kN·m,滿足。
八、第 6 步:螺栓孔距與埋深
閥門廠自帶地腳螺栓,多為 4–8 根 M24–M36。
經(jīng)驗(yàn):
九、快速選型表(C25 混凝土,K=1.5,μ=0.4)
DN600:底 2.8 m×2.8 m,厚 1.2 m
DN800:底 3.4 m×3.4 m,厚 1.5 m
DN1000:底 4.0 m×4.0 m,厚 1.8 m
DN1200:底 4.5 m×4.5 m,厚 2.0 m
(如遇軟土,面積×1.3;如遇地下水,厚度×1.2)
十、施工小貼士
支墩必須落在原狀土或夯實(shí) 95% 以上的回填土上,嚴(yán)禁放在淤泥、垃圾土。
混凝土一次澆筑,不留施工縫;若必須分兩次,界面鑿毛并設(shè) Φ12@200 插筋。
閥門吊裝就位后,用楔鐵調(diào)平,再灌漿固定,48 小時(shí)后拆模、回填。
在支墩四周設(shè) 100 mm 厚瀝青砂墊層,防滲防凍。
結(jié)語
一句話記住:先算推力,再查土壓,最后放大面積保安全。按本文步驟,10 分鐘就能手算出 DN800 刀閘閥支墩尺寸,既省鋼筋又保安全。