楊 鼎，彭勃薦，霍俊怡

（1.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000；2.華北水利水電大學(xué)，鄭州 450045）

1 工程概況

觀音山鋼管倒虹吸工程采用3根內(nèi)徑4.2 m壓力鋼管，建筑平面長(zhǎng)9 777.117 m，設(shè)計(jì)流量100 m3/s。倒虹吸鋼管沿線共設(shè)71 個(gè)鎮(zhèn)墩，支墩間距為10 m，支撐環(huán)采用下支撐式，支座均采用聚四氟乙烯滑動(dòng)支座。為適應(yīng)鋼管因溫度變化引起的軸向變形，兩個(gè)鎮(zhèn)墩間每個(gè)鋼管均布置一個(gè)單式波紋管伸縮節(jié)。鋼管、加勁環(huán)及支撐環(huán)鋼材均采用Q345C，鋼管管壁厚度22 mm，其鎮(zhèn)墩與支墩剖面圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)剖面圖

2 有限元模型

計(jì)算模型包括鋼管、支撐環(huán)、支墩、鎮(zhèn)墩、地基。鋼管、支撐環(huán)采用殼單元模擬，混凝土和地基采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬。為合理考慮邊界效應(yīng)的影響，結(jié)合斷面開(kāi)挖尺寸，地基模型選用長(zhǎng)120 m，寬為倒虹吸結(jié)構(gòu)的3倍寬度，取54 m，水平面向下取4倍倒虹吸結(jié)構(gòu)高度，取深32 m 的土體進(jìn)行建模，為方便建模分析，把土體視為均勻土層，土層中間斷層視為豎向斷層。

模型選取兩鎮(zhèn)墩之間100 m 段鋼管進(jìn)行研究，依據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL/T 281－2020）給出的鋼管設(shè)計(jì)參數(shù)并且根據(jù)實(shí)際情況，模型中倒虹吸鋼管內(nèi)直徑4.2 m，鋼管厚度22 mm，支撐環(huán)高250 mm，厚度40 mm。該模型布置了2個(gè)鎮(zhèn)墩，每?jī)蓚€(gè)鎮(zhèn)墩之間的距離為90 m，每?jī)蓚€(gè)鎮(zhèn)墩之間布置5個(gè)支墩，每?jī)蓚€(gè)支墩之間的距離為15 m。模型采用空間直角坐標(biāo)系，X、Y、Z坐標(biāo)軸分別對(duì)應(yīng)與模型的水平方向、豎直方向、水流方向。地基頂部為自由邊界，地基底部邊界剛性約束，地基前后以及側(cè)向邊界均施加法向約束。

在計(jì)算分析時(shí)，鎮(zhèn)墩、支墩混凝土和墊層部分采用各向同性模型[1]，鋼管和支撐環(huán)等結(jié)構(gòu)用鋼均采用Q345C，鎮(zhèn)墩和支墩采用C25 混凝土。結(jié)合實(shí)際地勘資料，給出倒虹吸管體、支撐環(huán)、鎮(zhèn)墩、支墩等結(jié)構(gòu)的材料力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表1），各層土體等材料的力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表2 土體材料物理力學(xué)參數(shù)

圖2 有限元模型

表1 結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)參數(shù)

作為水工建筑物的壓力明鋼管在工作運(yùn)行時(shí)是充滿水的?？紤]實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)及地基整體的重力通過(guò)重力加速度施加，倒虹吸管道內(nèi)水壓力由管內(nèi)水重和水頭引起的壓力組成，其值為

式中：γw為水的容重；r0為圓管內(nèi)半徑；θ為接觸點(diǎn)法線與水平方向的夾角。

3 結(jié)果及討論

采用上述有限元模型，在運(yùn)行工況荷載組合作用下，倒虹結(jié)構(gòu)的整體沉降、管體的豎向位移見(jiàn)圖3和表3。

表3 結(jié)構(gòu)豎向位移及分布

圖3 結(jié)構(gòu)豎向位移

由圖3和表3可知，斷層兩側(cè)的鎮(zhèn)墩、支墩位移變化較大，位移最大處在最右側(cè)鎮(zhèn)墩處，位移為172.8 mm；左側(cè)鎮(zhèn)墩位移為171.0 mm；位移最小處在第三支墩處，位移為158.9 mm。土體的不均勻沉降使兩鎮(zhèn)墩產(chǎn)生了1.8 mm的相對(duì)位移。

鋼管最大位移發(fā)生在鋼管的最右端，其最大位移為173.0 mm；最小位移發(fā)生在鋼管中間段，其最小位移為158.0 mm。土體的不均勻沉降使鋼管產(chǎn)生了15.0 mm的相對(duì)位移。

支撐環(huán)最大位移在最右側(cè)鎮(zhèn)墩處中間支撐環(huán)的環(huán)底部中間位置，其最大位移為165.3 mm；最小位移位于第三支墩處支撐環(huán)的雙側(cè)支撐環(huán)外側(cè)中上部，其最小位移為158.7 mm。

倒虹吸結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見(jiàn)圖4，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及位置見(jiàn)表4。

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

表4 結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及位置

由圖4 可知，鋼管各部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在允許應(yīng)力范圍內(nèi)，鎮(zhèn)墩、支墩最大應(yīng)力處在與地基接觸位置，支墩第一主應(yīng)力最大值為2.6 MPa，鎮(zhèn)墩第一主應(yīng)力最大值為9.0 MPa，都已經(jīng)超過(guò)C25混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，有出現(xiàn)裂縫的可能，施工當(dāng)中應(yīng)考慮相應(yīng)措施。

4 結(jié)論

本文通過(guò)鋼管倒虹吸三維有限元模型，分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形，主要結(jié)論如下：

（1）鋼管兩側(cè)位移較大，中間管段位移較小，復(fù)雜的地質(zhì)條件會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響較大，但在短距離的輸水段上位移變化相對(duì)較小。

（2）復(fù)雜地質(zhì)條件會(huì)使鋼管倒虹吸結(jié)構(gòu)鋼管及支撐環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部變形較大。鋼管、支撐環(huán)等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均未超過(guò)所使用鋼材的允許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。

（3）鎮(zhèn)墩和支墩的混凝土應(yīng)力超過(guò)其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，有可能出現(xiàn)裂縫，可多布置滑動(dòng)支座或伸縮節(jié)來(lái)協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)變形，以降低其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

（責(zé)任編輯：劉征湛）