目录
1. 计算总说明 (1)
1.1 计算的目的与要求 (1)
1.2 依据资料及参考书目 (1)
1.3 计算原则与假定 (1)
1.4 符号说明 (2)
2. 计算过程 (2)
2.1 ②镇墩结构设计 (2)
2.1.1 基本资料 (2)
2.1.2 最高水位运行工况下下作用在镇墩上的基本荷载 (4)
2.1.3 检修条件下作用在镇墩上的基本荷载 (6)
2.1.4校核情况下作用于镇墩的校核荷载（水压试验） (6)
2.1.5 荷载组合后的水平、垂直分力 (7)
2.1.6 抗滑稳定需要的体积力 (14)
2.1.7 镇墩体积及几何尺寸拟定 (15)
2.1.8 地基应力及抗滑稳定系数 (16)
2.2 ③镇墩结构设计 (19)
2.2.1 基本资料 (19)
2.2.2 最高水位运行工况下下作用在镇墩上的基本荷载 (20)
2.2.3 检修条件下作用在镇墩上的基本荷载 (22)
2.2.4校核情况下作用于镇墩的校核荷载（水压试验） (22)
2.2.5 荷载组合后的水平、垂直分力 (23)
2.2.6 抗滑稳定需要的体积力 (30)
2.2.7 镇墩体积及几何尺寸拟定 (30)
2.2.8 地基应力及抗滑稳定系数 (31)
3．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： ⑴ 计算不同工况下镇墩所受的荷载； ⑵ 确定抗滑稳定所需要的体积力；
⑶ 根据计算的体积力，拟定镇墩的型式、形状和几何尺寸； ⑷ 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
⑴《小型水电站机电设计手册》 金属结构 水利电力出版社 1991.8 ⑵《水电站压力钢管设计规范》（SL281-2003）中国水利水电出版社 2003.3 ⑶ ++水电站初设报告第五章（工程布置及建筑物） ⑷ ++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
⑴ 见附图1《++水电站引水发电系统纵剖面图》，选取②和③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；
⑵ 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：p p r
l H H L
?=?，式中L 表示进水口到钢管末端（蝶阀处）的轴线长度，
p l 表示p 点到进水口的轴线长度，r H ?表示钢管末端水锤升压最大值；（说明：水锤升压最大值利用++水电站初设报告第五章表5.4-4的计算成果。）
⑶ 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； ⑷ 钢管附件重按钢管主材12%计。
1.4 符号说明 1．轴向力
⑴ 钢管金属结构自重的轴向分力1A ； ⑵ 镇墩内弯管前、后端水压力2A ； ⑶ 镇墩前后两个伸缩节端面水压力3A ；
⑷ 温度变化时，伸缩节止水填料对钢管变形的摩擦力4A ；
⑸ 温度变化时，中间支墩对钢管变形的摩擦力5A （传给镇墩的摩擦力）； ⑹ 弯管中水流离心力的管轴向分力6A 。 2．垂直管轴的法向力
镇墩前、后钢管自重s Q 及水重w Q 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
⑴ 镇墩自重d G 。
2. 计算过程
2.1 ②镇墩结构设计
2.1.1 基本资料
根据技施阶段《++电站前池水力学计算》的计算成果： 最高水位：1280.702m ?= 最低水位：2278.938m ?=
管道末端中心线高程：3169.560?=
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21.90r H m ?=。
⑴ 钢管：钢管内径0 1.80D m =，计算壁厚 0.010m δ=；
⑵ 进水口到管道末端轴线长度274.37L m =，主管段最大引用流量
311.43/Q m s =，相应流速为：2
11.43
4.49/1.8/4
Q v m s A π=
==?； ⑶ ②镇墩的四个计算点1A 、1B 、1C 、1D 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
280.702169.56111.142H m =-=；
②镇墩上游方向伸缩节（记为1A 点）到进水口轴线距离：122.82L m =；水锤升压：1122.8229.62 2.464274.37
r L H H m L ?=
??=?=；静水头：0112.471H m =；计算水头：101112.471 2.46414.935H H H m =+?=+=；
②镇墩上游端（记为1B 点）到进水口轴线距离：296.901L m =；水锤升压：
2296.90129.6210.461274.37
r L H H m L ?=
??=?=；静水头：0246.066H m =；计算水头：202246.06610.46156.527H H H m =+?=+=；
②镇墩下游端（记为1C 点）到进水口轴线距离：399.861L m =；水锤升压：
3399.86129.6210.781274.37
r L H H m L ?=
??=?=；静水头：0347.001H m =；计算水头：303347.00110.78157.782H H H m =+?=+=；
②镇墩下游方向伸缩节（记为1D 点）到进水口轴线距离：4104.861L m =；水锤升压：44104.861
29.6211.320274.37
r L H H m L ?=
??=?=；静水头：0447.870H m =；计算水头：404447.87011.32059.190H H H m =+?=+=；
⑷ 支墩采用带支承环的滑动式支墩，钢管与支承环摩擦系数：10.30f =（查《小型水电站机电设计手册》 金属结构部分表15-9）；
⑸ 伸缩节内止水盘根用油浸麻及橡皮圈，止水盒宽0.30D m =，平均摩擦系数0.35m μ=；
⑹ 镇墩上游端至伸缩节的管轴长：174.086L m =，下游端至伸缩节长：
2 5.00L m =；
⑺ 支墩间距：m l 00.9=； ⑻ 地基与镇墩摩擦系数20.40f =； ⑼ 地基容许承载力[]500d kPa δ=；
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
②镇墩上游方向敷设角为027，下游方向敷设角为010。 基本荷载：
⑴ 钢管自重的轴向分力1A
上游方向 管壁重 01sin ()sin s s q L D L r απδδα=+
01.8100.01074.08678.50sin 27150.13kN π=?????=
记入附件增重12%后 1150.13 1.12168.15A kN '=?=
下游方向管壁重 02sin ()sin s s q L D L r απδδα=+
01.8100.010 5.078.50sin10 3.88kN π=?????=
记入附件增重12%后 1 3.88 1.12 4.35A kN ''=?=
⑵ 镇墩上、下游端内水压力2A （转弯处的内水压力）
上游端 222
02 1.8010.0056.5271438.394
4
w A D H kN π
π
γ'==
???=
下游端 22203 1.8010.0057.7821470.3344w A D H kN ππ
γ"==???=
⑶ 伸缩节管端水压力3A （接头处边缝处内水压力）
上游伸缩节 22
3
001(2)4w A D D H π
δγ'??=+-?
? 223(1.82 1.80)10.0014.9358.494
A kN π
'=
?-??=
下游伸缩节223
004(2)4
w A D D H π
δγ''??=+-??
"223(1.82 1.80)10.0059.19033.664
A kN π
=
?-??=
⑷ 温度变化时，伸缩节止水盘根对管壁摩擦力4A 。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 4
0221(2)w A D b H πδμγ'=+ 4
1.820.30.3510 1.2514.93511
2.08A kN π'=??????= 下游伸缩节 "
40224(2)w A D b H πδμγ=+
"
4 1.820.30.3510 1.2559.19444.18A kN π=??????=
⑸ 温度变化时，支墩对管壁的摩擦力5A （传给镇墩的摩擦力）
上游方向 5
11()cos s w A q q L f α'=+ 0() 1.810.01078.50 4.464s s q D kN πδδγπ=+=???= 记入附件重量0.12s q ，实际单位长管重 4.464 1.12 5.00s q kN =?= 2200.25 1.8010.0025.454
w w q D kN π
γπ=
=???=
则 05(5.0025.45)74.086cos 270.30603.01A kN '=+???= 下游方向 50A ''= （下游方向伸缩节至镇墩之间无支墩） ⑹ 镇墩中弯管水流离心力的轴向分力6A
22226
600/(4) 4.2110.00 1.80/(410.00)45.10w A A V D g kN πγπ'''===????= ⑺ 镇墩前、后钢管（记入水重）对镇墩的法向力Q 镇墩前半跨管的法向力
0()cos (5.0025.45)7.951/2cos 27107.862
s w l
Q q q kN α'=+=+??=∑
镇墩后管段的法向力
0()cos (5.0025.45) 5.00cos10149.94s w Q q q l kN α''=+=+??=∑
2.1.3 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
1A ，4A ，5A 和s Q 的作用。 ⑴ 钢管自重轴向分力1A
上游方向 01sin 5.0074.086sin 27168.17s A q l kN α'==??=
下游方向 01
sin 5.00 5.00sin10 4.34s A q l kN α''==??= ⑵ 温度变化时，伸缩节止水盘根对管壁的摩擦力4A
上游伸缩节 4
112.08A kN '= 下游伸缩节 4
444.18A kN ''= ⑶ 温度变化时，支墩对管壁的摩擦力5A （传给镇墩的摩擦力）
上游方向 005
11cos26.966 5.0074.0860.3cos2799.02s A q L f kN '==???= 下游方向 50A ''=
⑷ 镇墩前、后钢管对镇墩的法向力s Q 镇墩前半跨管的法向力 0cos 5.007.951/2cos 2717.712
s s
l
Q q kN α'==??= 镇墩后管段的法向力
0cos 5.00 5.00cos1024.62s
s Q q l kN α''==??= 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
0V =，不考虑弯管水流离心力的作用。只考虑1A ，2A ，3A 和Q 的作用。
⑴ 钢管自重的轴向分力1A 上游方向 1168.15A kN '=
下游方向 1 4.35A kN ''= ⑵ 镇墩上、下游端内水压力2A
上游端 2
1.251438.391797.99A kN '=?= 下游端 2
1.251470.331837.91A kN ''=?= ⑶ 伸缩节管端水压力3A
上游伸缩节 3
1.258.4910.61A kN '=?= 下游伸缩节 3
1.2533.664
2.08A kN ''=?= ⑷ 镇墩前、后钢管对镇墩的法向力Q 镇墩前半跨管的法向力 107.86Q kN '= 镇墩后管段长的法向力 149.94Q kN ''= 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。
A
A 2'3A 图2.1-1 温升时基本荷载简图
A 5A '6
A
⑴ 温升时
自上游方向指向镇墩
'1
2
3
4
5
6
A A A A A A A ''''''=+++++∑
168.151438.398.49112.08603.0145.10=+++++ 2375.22kN =
水平方向分力 0cos 2375.22cos272116.34()A kN α'=?=→∑ 垂直方向分力 0sin 2375.22sin271078.33()A kN α'=?=↓∑
自下游方向指向镇墩
1
2
3
4
6
A A A A A A ''''''''''''=-++++∑
4.351470.3333.66444.184
5.10=-++++ 1988.92kN =
水平方向分力 0cos 1988.92cos101958.70()A kN α'=?=←∑ 垂直方向分力 0sin 1988.92.44sin10345.37()A kN α'=?=↑∑ 法向力
Q '的水平分力 0sin 107.86sin 2748.97()Q kN α'=?=← Q '的垂直分力 0cos 107.86cos2796.10()Q kN α'=?=↓
Q ''的水平分力 0sin 149.94sin1026.04()Q kN α''=?=← Q ''的垂直分力 0cos 149.94cos10147.66()Q kN α''=?=↓
温升时总的水平推力∑x 、垂直力∑y 分别为 2116.341958.7048.9726.0482.63()x kN =---=→∑
1078.33345.3796.10147.66976.72()y kN =-++=↓∑
⑵ 温降时
基本荷载简图见图2.1-2。
A
A 2''3A 图2.1-2 温降时基本荷载简图
A '5A '6
A
自上游方向指向镇墩
'1
2
3
4
5
6
A A A A A A A ''''''=++--+∑
168.151438.398.49112.08603.0145.10=++--+ 945.04kN =
水平方向分力 0cos 945.04cos27842.04()A kN α'=?=→∑ 垂直方向分力 0sin 945.04sin 27429.04()A kN α'=?=↓∑
自下游方向指向镇墩
1
2
3
4
6
A A A A A A ''''''''''''=-++-+∑
4.351470.3333.66444.184
5.10=-++-+ 1100.56kN =
水平方向分力 0cos 1100.56cos101083.84()A kN α'=?=←∑ 垂直方向分力 0sin 1100.56sin10191.11()A kN α'=?=↑∑ 法向力
Q '的水平分力 0sin 107.86sin 2748.97()Q kN α'=?=← Q '的垂直分力 0cos 107.86cos2796.10()Q kN α'=?=↓
Q ''的水平分力 0sin 149.94sin1026.04()Q kN α''=?=← Q ''的垂直分力 0cos 149.94cos10147.66()Q kN α''=?=↓
温降时总的水平推力∑x 、垂直力∑y 分别为
842.041083.8448.9726.04316.81()x kN =-+++=←∑
429.04191.1196.10147.66481.69()y kN =-++=↓∑
2.1.5.2检修工况
⑴ 温升时
基本荷载简图见图2.1-3。
A
图2.1-3 温升时基本荷载简图
A '5
A s
自上游方向指向镇墩
1
4
5
A A A A ''''=++∑168.17112.0899.02=++379.27kN =
水平方向分力 0cos 379.27cos27337.93()A kN α'=?=→∑ 垂直方向分力 0sin 379.27sin 27172.18()A kN α'=?=↓∑ 自下游方向指向镇墩
1
4
A A A ''''''=-+∑ 4.35444.18=-+439.83kN =
垂直方向分力 0sin 439.83sin1076.38()A kN α'=?=↑∑ 法向力
s Q '的水平分力 0sin 17.71sin 278.04()s
Q kN α'=?=← s Q '的垂直分力 0cos 17.71cos2715.78()s
Q kN α'=?=↓ s Q ''的水平分力 0sin 24.62sin10 4.28()s
Q kN α''=?=← s Q ''的垂直分力 0cos 24.62cos1024.25()s Q kN α''=?=↓
温升时总的水平推力∑x 、垂直力∑y 分别为 337.93433.158.04 4.28107.54()x kN =-+++=←∑
172.1876.3815.7824.25135.83()y kN =-++=↓∑
⑵ 温降时
基本荷载简图见图2.1-4。
A
图2.1-4 温降时基本荷载简图
A 5
A s
自上游方向指向镇墩
1
4
5
A A A A '''=-++∑168.17112.0899.02=-++42.93kN =
垂直方向分力 0sin 42.93sin 2719.49()A kN α'=?=↑∑
自下游方向指向镇墩
1
4
A A A ''''''=+∑ 4.35444.18=+448.53kN =
水平方向分力 0cos 448.53cos10441.72()A kN α'=?=→∑ 垂直方向分力 0sin 448.53sin1077.89()A kN α'=?=↓∑ 法向力
s Q '的水平分力 0sin 17.71sin 278.04()s
Q kN α'=?=← s Q '的垂直分力 0cos 17.71cos2715.78()s
Q kN α'=?=↓ s Q ''的水平分力 0sin 24.62sin10 4.28()s
Q kN α''=?=← s Q ''的垂直分力 0cos 24.62cos1024.25()s Q kN α''=?=↓
温降时总的水平推力∑x 、垂直力∑y 分别为 38.25441.728.04 4.28391.15()x kN =-+--=→∑
19.4977.8915.7824.2598.43()y kN =-+++=↓∑
2.1.5.3校核状况（水压试验）
基本荷载简图见图2.1-5。
A
A 2'3
A 图2.1-5 校核状况时基本荷载简图
自上游方向指向镇墩
'1
2
3
A A A A '''=++∑
168.151797.9910.61=++ 1976.75kN =
水平方向分力 0cos 1976.75cos271761.30()A kN α'=?=→∑ 垂直方向分力 0sin 1976.75sin 27897.43()A kN α'=?=↓∑
自下游方向指向镇墩
1
2
3
A A A A ''''''''=-++∑
4.351837.9142.08=-++ 187
5.64kN =
水平方向分力 0cos 1875.64cos101847.14()A kN α'=?=←∑ 垂直方向分力 0sin 1875.64sin10325.70()A kN α'=?=↑∑ 法向力
Q '的水平分力 0sin 107.86sin 2748.97()Q kN α'=?=← Q '的垂直分力 0cos 107.86cos2796.10()Q kN α'=?=↓
Q ''的水平分力 0sin 149.94sin1026.04()Q kN α''=?=←
Q ''的垂直分力 0cos 149.94cos10147.66()Q kN α''=?=↓
总的水平推力∑x 、垂直力∑y 分别为
1761.301847.1448.9726.04160.85()x kN =-+++=←∑ 897.43325.7096.10147.66815.49()y kN =-++=↓∑
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：
2.1.6 抗滑稳定需要的体积力
在镇墩与地基间摩擦系数为0.40f =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：d K x G y f
=
-∑∑
式中：K 为抗滑稳定系数，5.1~3.1=K 。取4.1=K ； f 为镇墩与地基之间摩擦系数，0.40f =； ∑x 为平行于地基开挖面推力之和，单位kN ； ∑y 垂直于地基开挖面垂直力之和，单位kN 。 所以，抗滑稳定体积力d G 1.40391.15
98.431270.600.40
d G kN ?=
-=
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/d d d w V G V γ=+计算。
镇墩重度取325.00/d kN m γ=，镇墩包裹的钢管长度按6.50m 考虑，水的体积221.80 6.516.544
w V m π
=
??=。
所需镇墩最小体积：
3/1270.60/2516.5467.36d d d w V G V m γ=+=+=
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2.1-1可知方向向下的最大垂直力为976.72kN ，记入镇墩重量，总的垂直力最大值为
11270.60976.722247.32R kN =+=
地基不均匀系数取0.75α=。 因此，最小基础面积为 212247.32
6.00[]0.75500
d d R m ωασ=
==? 按构造要求，钢管两侧混凝土厚采用0.40D ，即0.4 1.800.72b m '=?=，镇墩最小宽度02(2)20.72 1.82 3.26b b D m δ'=++=?+=，根据初步计算确定基础面宽度为3.80m ，基础面最小长度为：
6.00 1.63.80
d l m b ω===
按裹住弯管及部分直管段要求，基础面长度取7.00l m =。综合上述诸方面，采用基础面积23.807.0026.60d m ω=?=。
镇墩需要的最小平均高度为67.36
2.5326.60
d
d
V h m ω=
=
=。 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②镇墩所处地质地形条件，②镇墩设计成全封闭形式，见附图3—— ②镇墩结构简图。
2.1.8 地基应力及抗滑稳定系数 ⑴ 地基应力计算
②镇墩纵剖面简化图见图2.1-6。
图2.1-6 ②镇墩纵剖面简化图(单位：mm)
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。
图2.1-7 ②镇墩计算简图(单位：mm)
水平轴力x F 距镇墩底面中心O 的距离为3.00m,垂直力y F 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 。
镇墩的体积 ()37 6.5 1.923 3.773/2 5.077 1.7/2 3.8142.72d V m =?-?-??= 重度取325/d kN m γ=，水的体积221.80 6.516.544
w V m π
=
??=，则
()25(142.7216.54)3154.50d d d w G V V kN γ=-=?-= 镇墩基底应力计算成果见表2.1-2。
⑵ 镇墩的抗滑稳定系数 镇墩抗滑安全系数：∑∑+=
x
y G f K d )
(
式中0.40f =，()d G y +∑见表2.1-2中第4项，x ∑见表2.1－1。列表计算如下。
K
由表2.1-3计算成果可知②镇墩能满足抗滑稳定的要求。
表2.1-2 ②镇墩地基应力 镇墩地基应力计算公式：6(1)d d y G e l
σω+=±∑ 。d
y G +∑即为表 2.1-2中第4项，e 为表 2.1-2
中第5项，7.00l m =，
23.807.0026.60d m ω=?=。由计算结果可知地基应力值远小于地基允许承载力[]500d kPa δ=。
2.2 ③镇墩结构设计
2.2.1 基本资料
最高水位：1280.697m ?= 最低水位：2278.972m ?=
管道末端中心线高程：3169.560?=
最高水位对应压力管道末端水锤升压最大值：查++水电站初设报告第五章表5.4-4的计算成果29.62r H m ?=；
⑴ 钢管：钢管内径0 1.80D m =，计算壁厚 0.012m δ=；
⑵ 进水口到管道末端轴线长度274.37L m =，主管段最大引用流量
310.71/m s ，相应流速为：
2
410.71
4.21/3.1415 1.8m s ?=?；
⑶ ③镇墩的四个计算点2A 、2B 、2C 、2D 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
280.697169.56111.137H m =-=；
③镇墩上游方向伸缩节（记为2A 点）到进水口轴线距离：1104.861L m =；水锤升压：11104.86129.6211.320274.37
r L H H m L ?=
??=?=；静水头：0147.870H m =；计算水头：101147.87011.32059.190H H H m =+?=+=；
③镇墩上游端（记为2B 点）到进水口轴线距离：2169.654L m =；水锤升压：
22169.654
29.6218.315274.37
r L H H m L ?=
??=?=；静水头：0259.135H m =；计算水头：202259.13518.31577.450H H H m =+?=+=；
③镇墩下游端（记为2C 点）到进水口轴线距离：3176.458L m =；水锤升压：
33176.45829.6219.050274.37
r L H H m L ?=
??=?=；静水头：0362.421H m =；计算水头：303362.42119.05081.471H H H m =+?=+=；
③镇墩下游方向伸缩节（记为2D 点）到进水口轴线距离：4184.954L m =；