楊 鋒

水利工程所處環(huán)境復(fù)雜，邊界條件多變，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，受諸多條件限制，需要選定幾種控制性的邊界條件進(jìn)行分析，如何選好控制性邊界條件是決定工程成敗的關(guān)鍵。本文以南水北調(diào)中線一期工程總干渠南沙河倒虹吸工程為例，重點(diǎn)分析了地下水位變化對(duì)倒虹吸管結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響，供類似工程參考。

1. 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程南沙河倒虹吸工程位于河北省沙河市高店村東北2km處的南沙河上，工程由南段倒虹吸、中間明渠、北段倒虹吸組成，全長(zhǎng)4335m，倒虹吸為1級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)流量 230m3/s，加大流量 250m3/s，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。建筑物區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)揭露地層全部為第四系，卵石含水層厚度約10m，頂板裸露于地表，平均滲透系數(shù)為 6.4×10-2cm/s，屬強(qiáng)透水性，其下部為弱透水地層，地下水位高于倒虹吸管頂面，地下水位變幅1.9～7.5m。

倒虹吸管身為預(yù)應(yīng)力混凝土箱型結(jié)構(gòu)，倒虹吸管為3孔一聯(lián)，單孔過水?dāng)嗝娉叽?.6×6.5m，底板、頂板及邊墻厚度均為1.0m，中墻厚度為0.8m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40，采用橫向和豎向雙向預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力筋采用1860級(jí)鋼絞線。

2. 計(jì)算方案

倒虹吸工程所處河段地下水位變幅較大，為分析地下水位變化對(duì)倒虹吸管結(jié)構(gòu)的影響，擬定最高地下水位和最低地下水位兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析，每種方案均包含倒虹吸完建、正常輸水、倒虹吸中孔、邊孔檢修、洪水沖刷管頂土等5種計(jì)算工況。

3. 計(jì)算方法

3.1 荷載計(jì)算

倒虹吸結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析主要荷載有結(jié)構(gòu)自重、管頂土重、側(cè)向土壓力、內(nèi)外水壓力，荷載計(jì)算按照《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定計(jì)算，此外，還考慮溫度和邊荷載的作用。

3.2 內(nèi)力及應(yīng)力計(jì)算

倒虹吸管預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)為彈性地基上的框架，采用單元有限元方法計(jì)算，將地基反力用彈性連桿模擬，利用軟件進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用常規(guī)的位移法進(jìn)行，即先形成單元?jiǎng)偠染仃嚕?jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后形成總剛度矩陣，形成荷載右端項(xiàng)，求解結(jié)構(gòu)位移列陣，據(jù)此得到節(jié)點(diǎn)位移、單元內(nèi)力以及支撐反力。在此基礎(chǔ)上考慮施工階段，采用增量理論，逐步推進(jìn)，逐步累計(jì)，獲得最終結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

抗裂驗(yàn)算按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定控制。截面抗裂驗(yàn)算：

本工程倒虹吸處于有侵蝕性地下水的地下環(huán)境，屬三類環(huán)境類別，按嚴(yán)格不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件控制。在荷載效應(yīng)的短期組合下，σcs-σpc≤0。 截面抗裂驗(yàn)算：混凝土主拉應(yīng)力 σtp≤0.85ftk，混凝土主壓應(yīng)力 σcp≤0.60ftk。

受篇幅限制，本文將計(jì)算成果從略。

4. 成果分析

4.1 倒虹吸正常輸水工況

對(duì)比分析最高地下水位和最低地下水位兩種情況，應(yīng)力變化趨勢(shì)相同，低地下水位的應(yīng)力狀況較差。兩種情況下出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位均為倒虹吸邊墻底部，低水位情況拉應(yīng)力略小，其他部位的壓應(yīng)力略小于高水位情況，低水位結(jié)構(gòu)受力狀況略好一些。

4.2 管頂土被洪水沖至管頂工況

低地下水位方案除立墻外，頂板和底板均出現(xiàn)拉應(yīng)力，高地下水位方案倒虹吸結(jié)構(gòu)全斷面受壓，此計(jì)算工況下外水位升高有利。由此可知，隨著管外側(cè)荷載的減少，結(jié)構(gòu)變得更加不利，此時(shí)，影響結(jié)構(gòu)受力的主要因素是管內(nèi)的內(nèi)水壓力。

4.3 倒虹吸孔檢修和完建工況

倒虹吸兩邊孔檢修的計(jì)算成果是，高地下水位時(shí)，頂板和中墻均為壓應(yīng)力，邊墻和底板均出現(xiàn)拉應(yīng)力；低地下水位時(shí)，底板和中墻均為壓應(yīng)力，邊墻拉應(yīng)力略低，頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力。

倒虹吸中孔檢修的計(jì)算成果是，高地下水位時(shí)，頂板和底板均為壓應(yīng)力，邊墻和中墻均出現(xiàn)拉應(yīng)力；低地下水位時(shí)，底板為壓應(yīng)力，頂板出現(xiàn)拉應(yīng)力，邊墻拉應(yīng)力略低，中墻拉應(yīng)力增大。

完建工況計(jì)算成果是，高地下水位時(shí)，僅中墻為全斷面受壓，其余構(gòu)件均出現(xiàn)拉應(yīng)力；低地下水位時(shí)，中墻壓應(yīng)力降低，邊墻和底板拉應(yīng)力得到改善，頂板拉應(yīng)力增大。

根據(jù)倒虹吸管兩邊孔檢修、中孔檢修和完建3種工況的計(jì)算成果分析，隨著倒虹吸管外地下水位出現(xiàn)較大幅度變化，其對(duì)管身各構(gòu)件的影響出現(xiàn)無規(guī)律的變化。

5. 結(jié)論

通過以上分析計(jì)算，可以看出地下水位的變化對(duì)倒虹吸應(yīng)力的影響較為復(fù)雜，當(dāng)河道地下水位由最高水位變?yōu)樽畹退粫r(shí)，倒虹吸管身的底板、邊墻、底板和中墻等構(gòu)件的應(yīng)力狀況呈現(xiàn)無規(guī)律的變化。因此，在對(duì)倒虹吸管進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，不能片面認(rèn)為管道外側(cè)作用取值大或小有利，應(yīng)針對(duì)結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件，選取不同的荷載組合進(jìn)行分析。

另外，本文僅以地下水位變化來分析其對(duì)倒虹吸結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)際上影響結(jié)構(gòu)分析的外界條件還有很多，故在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力的實(shí)際情況，綜合分析其受力的特點(diǎn)，對(duì)影響結(jié)構(gòu)的各種因素進(jìn)行細(xì)致的分析，將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利或有利的因素加以區(qū)別對(duì)待，合理擬定邊界條件，進(jìn)而保證工程安全。