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        祭城干渠倒虹吸極限工況設計模式應用分析

        2021-04-29 09:40:08楊碩
        河南水利與南水北調(diào) 2021年2期
        關(guān)鍵詞:賈魯河河槽箱涵

        楊碩

        (鄭州市水利建筑勘測設計院,河南 鄭州 450006)

        0 引言

        祭城干渠穿越賈魯河倒虹吸位于姚店堤北公路橋旁,賈魯河樁號40+388處,倒虹吸建于20世紀70年代,全長90.00 m,倒虹吸進口、出口均位于賈魯河灘地內(nèi),嚴重影響河道行洪安全。同時閘房、閘門及啟閉機老化導致工程無法正常使用。在該倒虹吸工程重建過程中應用了極限工況設計模式,現(xiàn)結(jié)合工程實例加以分析研究。

        1 工程布置

        祭城干渠重建倒虹吸,位于鄭州市金水區(qū)姚店堤村北,賈魯河樁號40+388處。倒虹吸軸線與河道中心軸線夾角∠83.280,工程總長為318.00 m,為溝埋式鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu),由進口連接段、進口閘室段,箱涵段,出口閘室段、出口連接段等5部分組成。上游水位86.00 m、下游水位85.75 m,上游渠底高程84.50 m、下游渠底高程84.25 m,設計流量8.96 m3/s。

        2 過水流量計算

        倒虹吸水力計算公式:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        C=R1/6/n

        (5)

        式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)中:Q—過水流量(m3);ω—過水斷面(m2);z—進出口水位差(m);μ—流量系數(shù);ζf—沿程阻力系數(shù);∑ζJ—局部阻力系數(shù)之和;L—管道全長(m);DB—管內(nèi)徑,取2.00 m;λ—沿程損失系數(shù);v—管內(nèi)平均流速;C—謝才系數(shù)。

        經(jīng)計算,倒虹吸過水流量為9.00 m3/s,滿足祭城干渠穿賈魯河倒虹吸設計流量8.96 m3/s要求。

        3 荷載計算(單位長1 m)

        《灌溉與排水工程設計標準》(GB50288-2018)第10.4.2條規(guī)定,根據(jù)各種荷載實際上同時出現(xiàn)的可能性,埋管管身計算共采用5種荷載組合,計算過程繁瑣,倒虹吸設計采用極限工況,即將實際工況進行放大。工況1:河道無水,管周無水,渠道設計水位;工況2:渠道無水,河道百年校核水位(最大外水壓力),計算過程中不再考慮混凝土收縮影響和溫度影響。

        3.1 箱涵自重計算

        荷載分項系數(shù)取1.05,下標K代表荷載標準值;底板重量設計值g1=1.05g1K=13.13 KN/m;頂板重量設計值g2=1.05g2K=13.13KN/m;豎墻重量設計值g3=1.05g3K=32.82 KN/m;墊層重量設計值g4=1.05g4K=2.63 KN/m。

        3.2 土壓力與外水壓力計算

        3.2.1 倒虹吸垂直土壓力與外水壓力

        倒虹吸管頂部垂直土壓力計算公式:

        Pz=γsz(KN/m2)

        (6)

        式(6)中:γs—填土容重(KN/m3),在地下水位以下部分采用浮容重;z—管頂以上填土高度(m)。

        倒虹吸管頂部垂直外水壓力計算公式:

        Pzw=γwHW(KN/m2)

        (7)

        式(7)中:HW—管頂以上水頭高度(m);γw—水容重,取10 KN/m3。

        倒虹吸管頂垂直土壓力和外水壓力計算見表1。

        表1 垂直土壓力及垂直外水壓力計算表

        3.2.2 倒虹吸管水平土壓力與外水壓力

        倒虹吸兩側(cè)水平土壓力計算公式:

        Ph=γsz1ka(KN/m2)

        (8)

        式(8)中:γs—填土容重(KN/m3),在地下水位以下部分采用浮容重;z1—填土頂面至計算截面的高度(m);ka—主動土壓力系數(shù),ka=tan2(45°-φ/2)。

        倒虹吸兩側(cè)水平外水壓力計算公式:

        Phw=γwH1(KN/m2)

        (9)

        式(9)中:Phw—計算截面處的水平外水壓力(KN/m2);H1—水頭頂面至計算截面的高度(m)。

        倒虹吸側(cè)水平土壓力與外水壓力計算見表2。

        表2 側(cè)水平土壓力與水平外水壓力計算表

        3.3 河槽下倒虹吸內(nèi)水壓力計算

        倒虹吸內(nèi)水壓力Pwi為梯形分布。河槽下倒虹吸上表面內(nèi)水壓力設計值:Pw1=1.05Pw1k=93.45(KN/m2);河槽下倒虹吸下表面內(nèi)水壓力設計值:Pw2=1.05Pw2k=114.45(KN/m2)。

        3.4 河槽下倒虹吸浮托力計算

        河槽校核水位時浮托力標準值:U浮k=γmHw=115.10(KN/m2);校核水位時浮托力設計值:U浮4=0.95γwHw=109.35(KN/m2)。

        3.5 地基反力計算

        地基反力按照直線分布進行計算見表3。

        表3 地基反力計算表

        4 內(nèi)力計算

        結(jié)構(gòu)受力分析計算采用清華大學《結(jié)構(gòu)力學求解器》,內(nèi)力計算結(jié)果統(tǒng)計見表4。

        表4 內(nèi)力計算統(tǒng)計表

        5 配筋計算

        倒虹吸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計算采用《水利水電工程設計計算程序集》V4.1中的程序G-17C進行計算,計算結(jié)果見表5。

        表5 倒虹吸管身結(jié)構(gòu)配筋計算成果表

        6 地基承載力驗算

        根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(SL191-2008)3.22條規(guī)定,水工建筑物在進穩(wěn)定驗算時,應取荷載標準值進行。

        (10)

        式(10)中:∑G—作用在基礎上的全部豎向荷載(KN);A—基底面面積(m2)。

        經(jīng)計算:P=115.71 kPa<該土層地基承載力容許值 [fa0]=120 kPa。

        7 斜管段抗滑穩(wěn)定驗算

        依據(jù)《水閘設計規(guī)范》(SL265-2001)7.3.6條抗滑穩(wěn)定公式驗算穩(wěn)定

        (11)

        式(11)中:Kc—沿箱涵基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑G—作用在箱涵上的垂直于基礎底面的全部豎向荷載(KN);∑H—作用在箱涵上的平行于基礎底面全部水平向荷載(KN);f—閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù),取0.35。

        經(jīng)計算:Kc=2.66>[Kc]=1.2。

        [Kc]—土基上閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值,所以,斜管段滿足抗滑要求。

        8 抗浮驗算

        因為穿主河槽部分箱涵上部覆土最少,所以選其作為抗浮驗算對象,選取100a洪水位時的工作狀況。對于該段—箱涵來說,當100a水位時,箱涵內(nèi)無水為最不利工況。

        根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(SL191-2008)3.2.2條規(guī)定,水工建筑物在進行穩(wěn)定驗算時,應取荷載標準值進行。

        (12)

        式(12)中:Kf—抗浮安全系數(shù);∑G抗浮力—作用在箱涵上的抗浮力(KN);Fw作用在箱涵上浮托力(KN)。

        經(jīng)計算:Kf=1.42>1,故箱涵抗浮驗算滿足要求。

        9 結(jié)語

        祭城干渠倒虹吸是賈魯河綜合治理工程的重要組成部分,工程的順利完成至關(guān)重要。文章介紹了祭城干渠倒虹吸工程實例的設計計算過程,尤其是在計算時選取了極限計算工況,不僅簡化了計算過程,而且保證了工程的安全性,為類似工程實踐提供一些參考。

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