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        都江堰灌區(qū)東風渠北干渠渡槽整治方案穩(wěn)定計算分析

        2021-01-06 00:21:18熊志軍張靜濤
        四川水利 2020年6期
        關(guān)鍵詞:承載力

        熊志軍,張靜濤,余 江

        (四川省都江堰東風渠管理處,成都,610057)

        引言

        都江堰灌區(qū)是有2000多年歷史的特大型水利工程,灌區(qū)將成都平原孕育成“天府之國”,是四川經(jīng)濟繁榮和文化發(fā)達的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。近五十年來,都江堰灌區(qū)進行了大規(guī)模的維修、改造和擴建,健全了管理機構(gòu),強化了用水調(diào)度。都江堰工程已由單一的灌溉供水,發(fā)展成為具有灌溉、工業(yè)供水、城鎮(zhèn)供水、防洪發(fā)電等多目標的綜合性特大型水利工程。

        渡槽作為都江堰灌區(qū)典型的水工結(jié)構(gòu),在農(nóng)業(yè)輸水灌溉工程中扮演著十分重要的角色[1-3]。隨著都江堰灌區(qū)早期建設(shè)的渡槽結(jié)構(gòu)逐步進入性能退化期,渡槽結(jié)構(gòu)的安全運行和養(yǎng)護工作面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[4]。因此,強化渡槽結(jié)構(gòu)安全監(jiān)管,防范突發(fā)安全事故,進一步提升灌區(qū)既有渡槽結(jié)構(gòu)安全運行管理水平,具有十分重要的現(xiàn)實意義[5,6]。

        沈曉明[7]等利用有限元軟件ANSYS對某渡槽結(jié)構(gòu)進行了計算分析,發(fā)現(xiàn)渡槽內(nèi)外表面受壓應(yīng)力為主,僅局部產(chǎn)生較小拉應(yīng)力;黃濤[8]等采用理論分析和數(shù)值計算方法研究了已建渡槽槽墻表面有豎向長裂縫、流白膏、堿蝕滲水的現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)槽墻表面裂縫和內(nèi)部空鼓縫是積水凍脹造成的;張建偉[9]等對渡槽結(jié)構(gòu)風振響應(yīng)進行了分析,并將單跨、跨間無連接等模型的風振分析結(jié)果進行對比;劉帥[10]等利用有限元模型計算了渡槽在運營期應(yīng)力和應(yīng)力分布規(guī)律,給出了渡槽應(yīng)力和位移的變化云圖,發(fā)現(xiàn)在縱向和環(huán)向預(yù)應(yīng)力作用下內(nèi)表面基本為壓應(yīng)力。

        本文以四川省都江堰東風渠灌區(qū)北干渠拆除重建的渡槽為例,對渡槽整治設(shè)計方案進行力學穩(wěn)定計算分析,旨在指導該渡槽結(jié)構(gòu)的安全加固整治工作,并保障工程的安全與穩(wěn)定。

        1 整治工程概況

        都江堰東風渠灌區(qū)是都江堰灌區(qū)的重要組成部分,涉及成都、眉山、資陽、樂山、內(nèi)江五市共19個縣(市、區(qū)),東風渠灌區(qū)幅員面積12047.3km2。規(guī)劃灌溉面積23.462萬hm2,占全灌區(qū)的34.84%。灌區(qū)田土比74∶26。灌區(qū)國民生產(chǎn)總值932.19億元,占全省的12.1%。

        東風渠灌區(qū)北干渠始建于1956年,是都江堰東風渠灌區(qū)東風渠總干系統(tǒng)首建的分干渠之一。北干渠渠首位于成都市成華區(qū)境內(nèi),全長34.832km,渠道進口流量10.5m3/s,東北向沿等高線經(jīng)成都市成華區(qū)、新都區(qū)、青白江區(qū)注入西江河,總控灌面積0.641萬hm2,其中田0.461萬hm2,地0.18萬hm2。1996年對0+000~5+630進行了改造。剩余段5+630~34+832總長29.202km還未整治,設(shè)計流量5.6m3/s~0.5m3/s。

        北干渠全長34.832km,渠道傍山沿等高線繞行,彎道多,轉(zhuǎn)彎半徑小,由于是在特定條件下建設(shè)起來的工程,建設(shè)標準低,遺留問題多,土壤粘性大,邊坡穩(wěn)定性差,渠道縱橫斷面的幾何形狀極不規(guī)范,滑坡、垮塌隱患多,加之運行六十多年,渠道已嚴重老化,造成過流能力達不到設(shè)計要求,繼而產(chǎn)生阻礙水流,淹沒農(nóng)田,渠堤漏水等問題,嚴重影響灌區(qū)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展,為了適應(yīng)灌區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要,灌區(qū)迫切要求對北干渠進行配套整治。

        北干渠渠道進口流量10.5m3/s,整治段設(shè)計流量5.6m3/s~0.5m3/s,經(jīng)成都市的新都區(qū)和青白江區(qū)。整治段控灌面積0.538萬hm2。東風渠北干渠具有控灌面大,輸水距離遠,送水線路長的特點,如果不及時對工程病險、病害進行整治,將使灌區(qū)用水得不到保證,特別是尾水丘陵灌區(qū),無法解決干旱災(zāi)害。通過對北干渠的整治,擬達到渠系輸水暢通、渠系工程安全運行及灌區(qū)節(jié)約用水的目的。

        2 渡槽整治設(shè)計方案

        北干渠拆除重建渡槽采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),共25跨總長300m,跨長為12m。槽身進口底板高程484.089m,出口底板高程483.685m,槽身凈寬2.0m,高1.35m。

        支承結(jié)構(gòu)采用重力式混凝土槽墩。重力式混凝土槽墩為實體墩,主要布置在渡槽進出口兩端,槽墩用C20混凝土建造,基礎(chǔ)寬度2.88m。承臺采用C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土,高0.8m,下部寬2.0m,上部寬2.6m,厚度1.5m,兩側(cè)設(shè)0.15m高C25現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋塊,寬0.15m。C25鋼筋混凝土承臺置于樁基礎(chǔ)上,基礎(chǔ)采用C25鋼筋混凝土鉆孔灌注端承樁,樁端置于基巖弱風化層,樁徑1.20m,樁長15.85m~20.85m,其中露出地面0.85m,填土層4.5m,粘土層最小厚度10.5m。樁共計24根。

        對渡槽結(jié)構(gòu)進行力學計算時,應(yīng)考慮作用于渡槽上的各項荷載,包括結(jié)構(gòu)重力、槽內(nèi)水重、靜水壓力、土壓力、風壓力、動水壓力、漂浮物的撞擊力、溫度作用、混凝土收縮及徐變影響力、預(yù)應(yīng)力、人群荷載、地震荷載以及施工吊裝時的動力荷載等,如表1所示。

        表1 北干渠渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載組合

        3 計算過程及結(jié)果分析

        3.1 樁基承載力設(shè)計

        根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008),端承樁單樁豎向極限承載力標準值按下式計算:

        Quk=Qsk+Qrk

        (1)

        Qsk=u∑qski×li=ξr×frk×Ap

        (2)

        式中:Qsk、Qrk——分別為土的總極限側(cè)阻力標準值、嵌巖段總極限阻力標準值,kN;

        qski——樁周第i層土的極限側(cè)阻力標準值,粘土層物理力學建議指標值為65kPa~75kPa,取65kPa;

        frk——巖石飽和單軸抗壓強度標準值,弱風化基巖層物理力學建議指標值為6000kPa~6500kPa,取6000kPa;

        ξr——樁嵌巖段側(cè)阻和端阻綜合系數(shù),取0.7;

        u——樁身周長,樁直徑為1.2m;

        li——第i層土厚度,最小值取10.5m;

        Ap——樁端橫截面積,1.13m2。

        根據(jù)地勘資料,上層為人工填土,厚4.5m,計算中無需考慮其側(cè)摩阻力。下層為成都粘土,液性指數(shù)為0.18~0.35,硬可塑狀態(tài),qsk取65kPa。在不考慮樁周土側(cè)阻力情況下,經(jīng)上式計算的Quk=4747.68kN。

        Pc=Quk/K

        (3)

        式中:K——安全系數(shù),取K=2。故計算的本工程樁基容許承載力Pc=2373.84kN。同時,單樁承受荷載經(jīng)計算P=1561.21kN,遠小于樁基容許承載力Pc,故滿足承載力要求。

        3.2 槽身橫斷面結(jié)構(gòu)計算

        3.2.1 側(cè)墻內(nèi)力計算

        側(cè)墻各截面彎矩按彎矩分配法推算的下列公式計算[11]:

        (4)

        (5)

        (6)

        (7)

        式中:My為距墻頂距離為y的截面彎矩,kN·m;

        MA為側(cè)墻底部彎矩,kN·m;

        MF側(cè)向水壓力作用的固定彎矩,滿槽水(h=H)時MF=r水h3/15;

        y為截面距墻頂?shù)木嚯x,m;

        【病因】由原生動物的纖毛蟲,貪食邁阿密蟲(Miamiensis avidus)寄生所引起。該蟲為長20~45μm的淚滴形,全身有纖毛,運動活潑。在鰭條基質(zhì)、體表鱗囊內(nèi)、真皮下的結(jié)締組織和腦等高密度寄生,用顯微鏡觀察各組織抹片或壓片標本可以檢出該蟲。未見報道腦內(nèi)寄生的其他纖毛蟲。該蟲為條件性寄生,池塘中剩下的餌料、死魚是其喜愛的生存場所。

        h為槽內(nèi)設(shè)計水深,m;

        H為側(cè)墻凈高(底板頂面至墻頂高),m;

        t1為側(cè)墻平均厚,m;

        t2為底板厚度,m;

        I1為側(cè)墻截面慣性矩,m4;

        I2為底板截面慣性矩,m4;

        q為水荷載與底板自重之和,kN/m2;

        r水為水的重度,采用r水=10kN/m2;

        r自為鋼筋砼的重度,采用r自=25kN/m2;

        u為分配系數(shù);彎矩符號以使側(cè)墻內(nèi)側(cè)受拉為正。

        經(jīng)計算,在滿槽水深情況下,墻底截面的彎矩值為7.98kN·m,半墻高截面的彎矩值為-0.21kN·m。

        3.2.2 底板內(nèi)力計算:

        底板各截面彎矩及軸向力按下列公式計算:

        (8)

        (9)

        (10)

        式中:Mx為距底板左端墻底中心距離為x的截面彎矩,kN·m;

        x為截面距距底板左端墻底中心的距離,m;

        NA為底板軸向拉力,kN;

        彎矩符號以使底板內(nèi)側(cè)受拉為正;

        軸向力以拉力為正;

        其余符號意義同前。

        經(jīng)上述公式計算,在滿槽水深情況下端部截面的彎矩值為6.7kN·m,跨中截面的彎矩值為-7.4kN·m。

        3.2.3 橫桿軸向力計算

        橫桿軸向力按下式計算:

        (11)

        式中:N為橫桿軸力,以拉力為正,kN;

        S為橫桿間距,m;

        其余符號意義同前。

        槽內(nèi)水深與槽寬之比>0.75時,橫桿為拉桿;槽內(nèi)水深與槽寬之比<0.75時,橫桿為壓桿。經(jīng)計算,在滿槽水深情況下橫桿軸力為2.69kN。

        此外,還對北干渠的槽身縱向結(jié)構(gòu)進行了計算。本渡槽按滿槽水深計算,作用于槽身的荷載主要有:槽殼重、槽頂結(jié)構(gòu)重、人群荷載、水重等。經(jīng)計算,在滿槽水深情況下槽身跨中彎矩為1247.0kN·m。

        4 結(jié)論

        本文以四川省都江堰灌區(qū)東風渠北干渠拆除重建的渡槽為例,對渡槽整治設(shè)計方案進行力學穩(wěn)定計算分析,通過對本工程樁基承載力和槽身橫斷面結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果進行分析,得到以下結(jié)論以供參考:

        (1)本渡槽工程的樁基容許承載力Pc為2373.84kN,單樁承受荷載經(jīng)計算P=1561.21kN,遠小于樁基容許承載力Pc,故滿足承載力要求,渡槽基礎(chǔ)的穩(wěn)定性較高,能夠保證工程安全。

        (2)側(cè)墻內(nèi)力計算結(jié)果表明:在滿槽水深情況下,墻底截面的彎矩值為7.98kN·m,半墻高截面的彎矩值為-0.21kN·m;底板內(nèi)力計算結(jié)果表明:在滿槽水深情況下,端部截面的彎矩值為6.7kN·m,跨中截面的彎矩值為-7.4kN·m;橫桿軸向力計算結(jié)果表明:在滿槽水深情況下橫桿軸為2.69kN,而槽身縱向結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明:在滿槽水深情況下槽身跨中彎矩為1247.0kN·m。

        (3)槽身橫斷面結(jié)構(gòu)計算結(jié)果說明在最不利的滿槽水深工況下,渡槽槽身所受的彎矩和軸力均非常小,渡槽結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性良好。

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