現(xiàn)澆混凝土矩形渠道側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算與比選設(shè)計(jì)

劉 娟

(河北省南運(yùn)河河務(wù)管理處，河北 滄州 061001)

1 現(xiàn)澆混凝土矩形渠道的優(yōu)勢(shì)

目前,我國農(nóng)田水利建設(shè)領(lǐng)域的小型渠道多為U型渠道和梯形渠道,但是矩形渠道以施工簡單、占用耕地少和斷面規(guī)則等優(yōu)勢(shì),仍在農(nóng)田灌溉工程中具有廣泛應(yīng)用[1]。具體而言,現(xiàn)澆混凝土渠道具有如下優(yōu)勢(shì)：第一,防滲效果好,現(xiàn)澆混凝土矩形渠道一般能減少滲漏量的90%～95%,對(duì)提高水資源利用率,增加農(nóng)田灌溉保證率十分有利[2]；第二,具有良好的耐久性,現(xiàn)澆混凝土矩形渠道可以有效防止一般外力性破壞,運(yùn)行時(shí)間可長達(dá)40～50年；第三,輸水能力大,混凝土護(hù)面的糙率相對(duì)較小,流速一般可以達(dá)到3～5m/s,在同樣輸水需求的情況下,可以采用較小的斷面尺寸,降低占地面積和工程投入；第四,現(xiàn)澆混凝土矩形渠道對(duì)施工場(chǎng)地的要求較低,只要能立模的地方即可進(jìn)行澆筑施工,同時(shí)施工方法簡單、便捷,施工速度快[3]。鑒于現(xiàn)澆混凝土矩形渠道的眾多優(yōu)勢(shì),加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究,可以對(duì)渠道的設(shè)計(jì)和施工提供必要的理論指導(dǎo)。

2 矩形渠道側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算原理

矩形渠道的結(jié)構(gòu)計(jì)算主要由側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算和底板結(jié)構(gòu)計(jì)算兩部分組成。本文僅討論側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算。荷載計(jì)算原則和混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算均按照SL191- 2008《水工海凝王結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行。其中,土壓力利用朗肯主動(dòng)土壓力公式計(jì)算,填土?xí)阂院颓旪R平計(jì)算,填土的內(nèi)摩擦角取28°。由于灌溉區(qū)的地下水位一般較深,不會(huì)對(duì)渠道產(chǎn)生明顯影響,在計(jì)算過程中不做考慮[4- 5]。

2.1 側(cè)墻內(nèi)力計(jì)算

側(cè)墻內(nèi)力按底端固定的懸臂板計(jì)算,分為完建期和運(yùn)行期兩種情況[6]。其中,完建期的側(cè)墻底部截面彎矩設(shè)計(jì)值等于墻后土壓力作用的彎矩設(shè)計(jì)值,其計(jì)算公式如下：

(1)

式中，M1—墻后土壓力作用的彎矩設(shè)計(jì)值,kN·m；H—渠道側(cè)墻凈高,m；γg—土壓力荷載分項(xiàng)系數(shù),取1.2；γ1—墻后回填土重度,取19kN/m3；φ—回填土內(nèi)摩擦角,(°)。

渠道運(yùn)行期的側(cè)墻底部截面彎矩設(shè)計(jì)值為墻后土壓力作用的彎矩設(shè)計(jì)值與渠道內(nèi)水壓力作用的彎矩設(shè)計(jì)值之和[7]。其中,渠道運(yùn)行期墻后土壓力作用的彎矩設(shè)計(jì)值仍利用上式計(jì)算；渠道內(nèi)水壓力作用的彎矩設(shè)計(jì)值則利用下式計(jì)算：

(2)

式中，M2—渠道內(nèi)水壓力作用的彎矩設(shè)計(jì)值,kN·m；h—渠內(nèi)設(shè)計(jì)水深,m；γq—水壓力荷載分項(xiàng)系數(shù),取1.1；γ0—水的重度,取10kN/m3。

2.2 混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算

現(xiàn)澆混凝土矩形渠道的側(cè)面屬于矩形截面的混凝土受彎構(gòu)件,其正截面承載力應(yīng)符合如下規(guī)定：

(3)

則：

(4)

式中,K—承載力安全系數(shù),素混凝土取1.2,鋼筋混凝土取2.0；M—彎矩設(shè)計(jì)值,N·mm；γm—截面抵抗矩塑性系數(shù)；f1—混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,N/mm2；b—矩形截面寬度,取1000mm；h—矩形截面高度,mm。

3 側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從上節(jié)的側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算公式可知,矩形渠道的側(cè)墻受力情況與墻高和水深有關(guān),與渠道的寬度無關(guān)[8]。因此,利用上節(jié)方法計(jì)算出不同高度的側(cè)墻底部彎矩值,計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 矩形渠道側(cè)墻底部彎矩計(jì)算成果

由表格中的數(shù)據(jù)可知,完建期渠道側(cè)墻底部所受的彎矩值最大,屬于最不利工況,因此需要以完建期的受力情況進(jìn)行側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算?；谏鲜鲇?jì)算結(jié)果,利用公式(4)即可計(jì)算渠道側(cè)墻的厚度。由于不同襯砌材料具有不同的承載力安全系數(shù),計(jì)算出的墻體厚度也不同。在選用混凝土等級(jí)時(shí),考慮鋼筋混凝土的耐久性要求,混凝土的最低強(qiáng)度等級(jí)為C25,因此計(jì)算過程中混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)定C25和C30兩種情況。具體的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由于本文研究的矩形渠道的流速為均小于3m/s,根據(jù)GB/T50600- 2010《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,混凝土渠道防滲層的最小厚度為4cm,鋼筋混凝土防滲層的最小厚度為7cm。根據(jù)上表中的計(jì)算結(jié)果,當(dāng)側(cè)墻高在0.9m以上時(shí),素混凝土渠道側(cè)墻厚度大于7cm,可經(jīng)過增加配筋減小側(cè)墻厚度,降低造價(jià)。因此,對(duì)側(cè)墻高度分別為0.9m、1.0m、1.1m和1.2m的渠道側(cè)墻進(jìn)行配筋設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表2 矩形渠道側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算表

表3 側(cè)墻配筋計(jì)算結(jié)果

通過上述計(jì)算,得到了矩形渠道側(cè)墻各種襯砌材料的結(jié)構(gòu)尺寸,進(jìn)而依據(jù)渠道側(cè)墻的體積計(jì)算出材料用量。結(jié)合材料的市場(chǎng)單價(jià)即可計(jì)算獲得單位長度渠道的材料費(fèi)用。對(duì)不同材料選用方案的材料費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比,即可得出側(cè)墻的最經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)。本次計(jì)算中采用的是遼寧地區(qū)2016年1～12月份建設(shè)工程材料的平均市場(chǎng)價(jià)格,對(duì)各尺寸渠道側(cè)墻選用素混凝土的材料費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表4所示。

對(duì)于側(cè)墻高分別為0.9m、1.0m、1.1m、1.2m等4種情況,選用鋼筋混凝土作為襯砌材料,單位渠道費(fèi)用計(jì)算結(jié)果如表5所示。然后與素混凝土渠道的材料費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比,最終得到矩形渠道側(cè)墻的最經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)形式。

對(duì)表4和表5中各種材料選用方案的單位費(fèi)用進(jìn)行對(duì)比,可以最終獲得矩形渠道側(cè)墻的最經(jīng)濟(jì)方案,如表6所示。

表4 各尺寸素混凝土矩形渠道側(cè)墻材料費(fèi)用計(jì)算結(jié)果

表5 鋼筋混凝土矩形渠道側(cè)墻尺寸及材料費(fèi)用表

表6 矩形渠道側(cè)墻最經(jīng)濟(jì)方案比選結(jié)果

4 結(jié)論

本文在基于相關(guān)研究結(jié)論,對(duì)現(xiàn)澆混凝土矩形渠道側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步研究,主要結(jié)論如下：

(1)基于素混凝土和鋼筋混凝土矩形渠道側(cè)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算方法,對(duì)常見規(guī)格矩形渠道進(jìn)行襯砌材料的比選設(shè)計(jì),得出最經(jīng)濟(jì)的渠道側(cè)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并匯總成表供工程選用。

(2)基于對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的分析,初步推斷出以下結(jié)論：當(dāng)渠道側(cè)墻高小于0.8m時(shí),應(yīng)選用C25號(hào)混凝土；當(dāng)渠道側(cè)墻高在0.8m和1.0m之間時(shí)應(yīng)選用C30號(hào)混凝土；當(dāng)渠道側(cè)墻高大于1.0m時(shí)應(yīng)選擇鋼筋混凝土。

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