劉正軍 趙國杰 陳 浩

南水北調(diào)中線工程南起湖北省丹江口水庫,北至北京市頤和園的團(tuán)城湖。其中魯山2段工程范圍為TS229+211—TS239+031,位于河南省平頂山市境內(nèi),渠道上游與魯山1段相接,下游與魯山北段相連,分段設(shè)計(jì)流量320m3/s,加大流量380m3/s。魯山2段工程沿線共布置3座左岸排水建筑物,均為排水倒虹吸型式。其中吳洼東溝排水倒虹吸位于河南省魯山縣吳洼村南約180m處,交于南水北調(diào)中線總干渠樁號(hào)TS233+598.0處。其任務(wù)是將洪水從總干渠的左側(cè)安全地泄往右側(cè),確?？偢汕踩ㄟ^,此外吳洼東溝排水倒虹吸還承擔(dān)昭平臺(tái)南干渠的退水任務(wù)。

1 工程地質(zhì)

場地區(qū)地表為上更新統(tǒng)沖積層(alQ3)覆蓋,下伏基巖為上第三系(N)黏土巖、砂巖、砂礫巖,基巖埋深8.5～15.0m。第四系上更新統(tǒng)(alQ3)自上而下主要由粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、粗砂及粉土質(zhì)礫組成。粉質(zhì)壤土層厚1.5m左右,分布于地表;粉質(zhì)黏土分布穩(wěn)定,厚7.0～15.0m,底板高程118～129m;粗砂層厚1.0m左右,呈透鏡狀分布于粉質(zhì)黏土層下部;粉土質(zhì)礫層厚2～3 m,位于粉質(zhì)黏土層下部。勘探深度內(nèi)基巖主要由黏土巖及砂礫巖組成,局部夾砂巖薄層,黏土巖層厚一般3.5～15.0m,砂礫巖層厚1～4m。管身坐落在粉質(zhì)黏土層上,工程地質(zhì)條件較好,但粉質(zhì)黏土具弱膨脹性,應(yīng)注意防護(hù)。

2 工程總體布置

吳洼東溝工程主要建筑物由進(jìn)口至出口依次為:上游河溝防護(hù)段、進(jìn)口漸變段、倒虹吸管身段、出口漸變段、下游河溝防護(hù)段等,其中上游河溝防護(hù)段及進(jìn)口漸變段統(tǒng)稱上游連接段,下游河溝防護(hù)段及出口漸變段統(tǒng)稱下游連接段。建筑物水平投影總長197.090m,其中進(jìn)出口漸變段采用圓弧擋墻,涵洞進(jìn)口前不設(shè)沉沙池,出口段不設(shè)消力池,進(jìn)、出口均不設(shè)閘。

2.1 進(jìn)口漸變段

進(jìn)口漸變段長48.10m。吳洼東溝進(jìn)口溝底高程為134.800m,擬定倒虹吸進(jìn)口底高程為128.700m,設(shè)置一斜坡段來連接河溝與倒虹吸,斜坡段坡比為1∶5,斜坡段長30.50m。進(jìn)口平坡段長17.60m,底高程為128.700m。兩側(cè)擋土墻采用扶臂式圓弧翼墻,圓弧半徑17.60m,圓弧中心角90°。擋土墻墻頂高程與胸墻齊平,為200年一遇水位加0.4m,擋土墻擋200年一遇水位可以防止進(jìn)口水流對總干渠堤身的淘刷,同時(shí)可以縮短管身長度,從而減小工程量。

2.2 倒虹吸管身段

倒虹吸管身段為2孔3.2m×3.2m箱型C30鋼筋混凝土管,兩孔一聯(lián)共一聯(lián)。倒虹吸管身水平投影長99.390m,由進(jìn)口斜管段、水平管身段、出口斜管段組成。進(jìn)口斜管段、出口斜管段位于粉質(zhì)黏土地層上,水平管身段位于砂礫巖上。

倒虹吸各管節(jié)間設(shè)沉陷縫,分縫處管壁厚度加厚作為倒虹吸截滲環(huán),并有利于縫間止水施工。沉陷縫采用平接型式,縫內(nèi)設(shè)2層橡膠止水帶,內(nèi)填閉孔泡沫塑料板,以適應(yīng)地基不均勻沉陷及溫度變化引起的管身變形。為了防止穿過河溝的總干渠渠底產(chǎn)生不均勻沉降,在倒虹吸管頂鋪設(shè)3層土工格柵。為了滿足在總干渠正常運(yùn)行條件下有效截?cái)鄡?nèi)水外滲滲漏通道,減少水量損失,并防止不滿足輸水要求的外水進(jìn)入渠道,在倒虹吸管進(jìn)出口斜坡段填土比較高的適當(dāng)部位設(shè)置4m厚的截滲齒墻。

2.3 出口漸變段

出口漸變段長29.600m。平坡段長12.600m,底高程為127.20m,底板采用厚50cm的C25混凝土護(hù)砌,下鋪20cm級配砂礫料和1層土工布。兩側(cè)擋土墻采用懸臂式圓弧翼墻,圓弧半徑12.600m,圓弧中心角90°。擋土墻墻頂高程與胸墻齊平。擋土墻內(nèi)部采用漿砌石護(hù)坡,坡度1∶2,下鋪10cm碎石墊層。出口吳洼東溝溝底高程為 128.900m,設(shè)置一斜坡段來連接河溝與倒虹吸,斜坡段坡比為1∶6,斜坡段長17.00m。

2.4 河溝防護(hù)段

吳洼東溝排水倒虹吸的進(jìn)出口底部高程較天然河道低。為平順連接水流,根據(jù)天然河道建筑物的橫斷面變化情況,對建筑物附近一定范圍內(nèi)的上下游河道進(jìn)行削坡、整平、護(hù)砌處理,以平順上下游的水流條件。

3 倒虹吸水力計(jì)算

水力計(jì)算的任務(wù)是在初步擬定建筑物縱橫斷面尺寸以及進(jìn)出口段布置基礎(chǔ)上,以建筑物下游的天然水位流量關(guān)系曲線為基準(zhǔn)。通過水力學(xué)計(jì)算,推出建筑物上游的水位流量關(guān)系曲線,從而得出建筑物的過流能力曲線。倒虹吸過水流量按壓力管道公式計(jì)算:

式中 μ——流量系數(shù);

ω——涵洞總斷面積,m2;

ΔZ——上下游水頭差,m。

倒虹吸管過流能力計(jì)算結(jié)果見表1。

為了驗(yàn)證輸水建筑物的過流能力,優(yōu)化輸水建筑物的輪廓尺寸,測定倒虹吸進(jìn)出口水流沖刷變化規(guī)律,研究其對干渠影響等,對吳洼東溝排水倒虹吸進(jìn)行了模型試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀測了吳洼東溝排水倒虹吸布置的水流流態(tài),測定了不同泄洪標(biāo)準(zhǔn)條件下吳洼東溝倒虹吸過流能力,測量了進(jìn)、出口有關(guān)水力要素,包括水面線、流速分布及河床局部沖刷等。

表1 倒虹吸進(jìn)口斷面過流能力曲線表

試驗(yàn)觀測了倒虹吸在不同水位下的過流能力,試驗(yàn)成果見表2。通過試驗(yàn)可知,在校核流量Q=149m3/s時(shí),倒虹吸上游進(jìn)口水位為136.32m,下游出口水位為132.60m;在設(shè)計(jì)流量Q=117 m3/s時(shí),倒虹吸上游進(jìn)口水位為134.82m,下游出口水位為132.35m,倒虹吸過流能力滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 倒虹吸進(jìn)口斷面水位與流量關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果表

試驗(yàn)的水頭差與計(jì)算水頭差對比見表3。

表3 各工況下倒虹吸管的流量系數(shù)

從模型試驗(yàn)結(jié)果可見吳洼東溝試驗(yàn)過流能力與計(jì)算過流能力相近,滿足設(shè)計(jì)要求,倒虹吸體型設(shè)計(jì)合理。

4 管身段結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 SAP2000方法結(jié)構(gòu)計(jì)算

倒虹吸管身的結(jié)構(gòu)計(jì)算采用有限元分析方法,使用SAP2000結(jié)構(gòu)分析程序計(jì)算內(nèi)力,沿水流方向截取單位長度的管身進(jìn)行內(nèi)力有限元分析,按平面問題處理,將結(jié)構(gòu)視為有限彈性地基上的框架,利用文克爾假定進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算中未計(jì)溫度荷載的影響。

根據(jù)倒虹吸的總體布置情況,渠底下斷面(水平管身斷面)和渠堤下斷面(填土最厚處)管身的受力條件差別較大,結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)取2個(gè)斷面進(jìn)行計(jì)算。倒虹吸管身結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合詳見表4,計(jì)算結(jié)果見表5,內(nèi)力簡圖見圖1。

表4 倒虹吸管身結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合表

表5 吳洼東溝排水倒虹吸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算荷載、內(nèi)力計(jì)算成果表

圖1 荷載及內(nèi)力簡圖

4.2 ANSYS方法結(jié)構(gòu)計(jì)算

為了驗(yàn)證SAP2000方法計(jì)算結(jié)果的正確性,并且分析溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響,又采用國際通用大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件ANSYS對涵體結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)進(jìn)行整體三維有限元計(jì)算分析。計(jì)算單元采用八結(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元、涵洞和基礎(chǔ)間用接觸單元。假定模型沿倒虹吸流水的方向?yàn)?x方向,倒虹吸橫斷面方向?yàn)閥方向,鉛垂向上為z正方向。倒虹吸結(jié)構(gòu)計(jì)算模型單元圖見圖2,積分截面號(hào)示意圖見圖3。

圖2 倒虹吸結(jié)構(gòu)計(jì)算模型單元圖

圖3 積分截面號(hào)示意圖

選取填土最厚斜管段的設(shè)計(jì)Ⅰ、設(shè)計(jì)Ⅱ,并分為不考慮溫度荷載、內(nèi)低于外3℃,外低于內(nèi)3℃三種情況分別計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表6。

對比表5與表6,兩種方法計(jì)算結(jié)果基本相近,SAP2000計(jì)算結(jié)果略大,內(nèi)力趨勢基本相同。對比表6中數(shù)據(jù)得出溫度對彎矩的影響幅度小于10%。鑒于SAP2000是結(jié)構(gòu)分析方面比較成熟和完善的有限元軟件,具有可操作性強(qiáng)、分析結(jié)果可靠、便于設(shè)計(jì)人員應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn),加之本設(shè)計(jì)段內(nèi)小倒虹吸較多,本設(shè)計(jì)階段對其它倒虹吸均采用SAP2000進(jìn)行計(jì)算,在配筋時(shí)考慮溫度應(yīng)力的影響,將彎矩值加大10%。

5 結(jié) 語

本文首先對吳洼東溝排水倒虹吸的布置做了簡要介紹,然后通過水力計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對比,表明所選水力計(jì)算方法合理,計(jì)算結(jié)果可靠。

表6 各工況內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表

對管身段的結(jié)構(gòu)計(jì)算采用了SAP2000和ANSYS兩種方法,兩種方法計(jì)算結(jié)果基本相近,SAP2000計(jì)算結(jié)果略大,內(nèi)力趨勢基本相同。本工程溫度對彎矩的影響幅度小于10%。鑒于SAP2000是結(jié)構(gòu)分析方面比較成熟和完善的有限元軟件,具有可操作性強(qiáng)、分析結(jié)果可靠、便于設(shè)計(jì)人員應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn),加之本工程段內(nèi)小倒虹吸較多,采用SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,在配筋時(shí)考慮溫度應(yīng)力的影響,將彎矩值加大10%,這樣既可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠,也可以提高設(shè)計(jì)效率。具有一定的代表性,值得類似工程參考。