南水北調(diào)中線一期工程鄭州段須水河倒虹吸管身段結(jié)構(gòu)計(jì)算

□劉少麗 □耿 波 □任松林（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

1 概述

須水河是索須河支流，淮河流域賈魯河二級(jí)支流，交叉斷面以上河道干流長(zhǎng)13.40 km，流域面積66.10 km2。須水河為季節(jié)性河流，河床寬約15.00 m，河底高程約118.00 m；兩岸漫灘高程約120～121 m；左右岸一級(jí)階地階面高程約123.00 m。建筑物建基面均位于第③層重粉質(zhì)壤土中，工程地質(zhì)條件較好。交叉斷面處，河道100 a一遇洪峰流量1250 m3/s，300 a一遇洪峰流量1600 m3/s。倒虹吸設(shè)計(jì)流量為270 m3/s，加大流量330 m3/s。建筑物設(shè)計(jì)水頭0.13 m，建筑物總長(zhǎng)375 m，管身段長(zhǎng)250 m。

南水北調(diào)中線總干渠為一等工程，須水河渠道倒虹吸管身段、連接段及漸變段均為一級(jí)建筑物。河道控導(dǎo)與防護(hù)工程為三級(jí)建筑物。渠道倒虹吸各部位防洪標(biāo)準(zhǔn)均按100 a一遇設(shè)計(jì)，300 a一遇校核。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 基本資料

須水河渠道倒虹吸管身分為河岸段和河槽段，河岸段回填土高程126.48 m，填土高度9.64 m，河槽段回填土高程118.39 m，考慮工程建成后的回淤，填土高程按119.39 m，填土高度4.00 m。管身填土綜合指標(biāo)：濕容重為19 kN/m3，浮容重為10 kN/m3，土的綜合摩擦角28°，側(cè)向土壓力按靜止土壓力考慮。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告成果，地下水位在管身建基面以下。倒虹吸管采用C30混凝土和Ⅱ級(jí)鋼筋。渠道倒虹吸設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，相應(yīng)基本烈度7°。

倒虹吸管身橫向共4孔，分為兩聯(lián)，一聯(lián)由2孔箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，左右對(duì)稱布置，兩聯(lián)中間設(shè)2 cm寬沉陷縫。根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，倒虹吸孔徑取為7.00 m×7.00 m。河岸段管身結(jié)構(gòu)尺寸：倒虹吸邊墻厚度采用1.60 m，中墻厚1.20 m，縫墻1.20 m，底板厚1.60 m，頂板厚1.60 m，河槽段管身結(jié)構(gòu)尺寸：倒虹吸邊墻厚度采用1.30 m，中墻厚1.20 m，縫墻厚1.20 m，底板厚1.30 m，頂板厚1.30 m。為解決應(yīng)力集中問題，在倒虹吸頂、底板與邊墻及中墻交接部位設(shè)置0.60 m×0.60 m貼角。在水平管段底板的末端設(shè)置集水井，以備倒虹吸檢修時(shí)能盡快抽干積水。為盡量減少水頭損失，在倒虹吸進(jìn)口頂部設(shè)圓弧，為防止人及牲畜掉入倒虹吸，設(shè)計(jì)倒虹吸進(jìn)出口胸墻頂同進(jìn)出口閘墩頂平齊。

2.2 計(jì)算方法

須水河倒虹吸橫斷面為2聯(lián)4孔，對(duì)稱布置，因此取1聯(lián)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型采用彈性地基上的框架算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。內(nèi)力計(jì)算采用水利水電工程設(shè)計(jì)程序集G—14（帶斜桿帶彈性地基梁的平面框架內(nèi)力及配筋計(jì)算程序）及結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器（SMSolver）輔助計(jì)算。結(jié)構(gòu)配筋及裂縫寬度計(jì)算均按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范）》（SL191-2008）要求進(jìn)行，裂縫寬度允許值為0.20 mm。

2.3 計(jì)算假定及參數(shù)

倒虹吸管身簡(jiǎn)化為彈性地基上帶剛域的框架，底板簡(jiǎn)化為彈性地基梁?jiǎn)卧?，彈性地基梁采用文克爾假定，其解用初參?shù)法公式。對(duì)于彈性地基梁的變位不進(jìn)行檢驗(yàn)，不檢驗(yàn)變位的單元類型數(shù)為9個(gè)，地基彈性抗力系數(shù)取為2800 t/m3。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行編號(hào)時(shí)，彈性地基梁應(yīng)編在最后，且每根桿件為一種類型（即使桿件參數(shù)完全相同，也按不同類型對(duì)待）。對(duì)于需要考慮剛域的桿件，將此桿件的剛域分離出來(lái)，作為一個(gè)單獨(dú)的桿件參與結(jié)構(gòu)分析。桿件內(nèi)力求出后，按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范）》（SL191-2008）進(jìn)行配筋計(jì)算。

2.4 荷載及組合

倒虹吸管結(jié)構(gòu)所受荷載，參考《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5077－1977）進(jìn)行計(jì)算，溫度荷載考慮內(nèi)外表面溫差5℃，溫度荷載產(chǎn)生的內(nèi)力由結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器（SMSolver）計(jì)算，最后疊加入其他荷載產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算。

表1 倒虹吸管結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載及組合與安全系數(shù)表

2.5 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過以上內(nèi)力計(jì)算，根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL191-2008），考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長(zhǎng)期作用影響后的最大裂縫寬度，對(duì)其進(jìn)行配筋復(fù)核和承載能力復(fù)核，得出控制工況和各區(qū)域的配筋面積。內(nèi)力計(jì)算結(jié)果及配筋結(jié)果見下表2和表3。

表2 河槽段—倒虹吸管身結(jié)構(gòu)計(jì)算成果匯總表

表3 河岸段—倒虹吸管身結(jié)構(gòu)計(jì)算成果匯總表

3 結(jié)論

通過上述對(duì)倒虹吸結(jié)構(gòu)在各工況的內(nèi)力計(jì)算分析表明,采用所配置的鋼筋均滿足設(shè)計(jì)要求。目前南水北調(diào)中線已通水半年有余，須水河倒虹吸運(yùn)用狀態(tài)良好，表明這種計(jì)算方法是簡(jiǎn)單并且可行可靠的，可為同類倒虹吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)和依據(jù)。