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        一種組合式鋼圍堰的設(shè)計與分析

        2022-03-09 07:47:44務(wù)闖李玉東李爽陳高俊
        關(guān)鍵詞:施工

        務(wù)闖 李玉東 李爽 陳高俊

        (華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450045)

        水利工程往往需要干地作業(yè)的施工條件以便于人工或施工機(jī)械進(jìn)入工作,如何保證施工的干地作業(yè)條件則需要圍堰來完成。鋼圍堰是一種為保護(hù)正常施工安全的臨時性的措施,在施工工程中經(jīng)常被廣泛應(yīng)用,它可以阻擋水、泥、沙、石等對施工作業(yè)帶來的干擾。鋼圍堰是施工作業(yè)安全性保證,所以在工程作業(yè)中,鋼圍堰是需要重點控制的環(huán)節(jié)。由于施工中面臨著多種不同的復(fù)雜條件,不同的施工環(huán)境會對鋼圍堰提出不同的施工要求,因此需要有針對性的設(shè)計圍堰以滿足不同的施工需求[1]。

        南水北調(diào)工程不同于一般的水利工程。其輸送水源是生活飲用水,施工中對水源的保護(hù)要求較高,必須保證不會污染水源,而普通水利工程中廣泛使用的土石結(jié)構(gòu)圍堰,由于其污染嚴(yán)重、施工量大、會破壞渠坡等問題,在施工中則不予考慮[2]。通過對南水北調(diào)中線干渠邊坡?lián)p壞情況的調(diào)研表明,中線干渠邊坡在不間斷供水3 年以后,常出現(xiàn)不同程度的損壞問題,主要包括局部襯砌面板隆起、部分襯砌面板塌陷,襯砌面板連續(xù)破碎或滑坡(部分渠道連續(xù)損壞超百米)等。中線干渠需要修復(fù)的邊坡已達(dá)上百處。

        這些襯砌面板損壞的區(qū)域有所不同,有的損壞發(fā)生在水面線下深度1-2 米處,部分發(fā)生在3-4 米以內(nèi),甚至有部分邊坡?lián)p壞位置更深。發(fā)生損壞的干渠邊坡系數(shù)包括1:2.0,1:2.5 和1:3.0 等多種。在確定設(shè)計方案時,需要設(shè)計一種可以滿足不同邊坡長度、不同入水深度和不同邊坡系數(shù)施工需求的大型擋水設(shè)施。

        1 組合式圍堰設(shè)計計算

        經(jīng)過大量調(diào)研發(fā)現(xiàn),德國和奧地利等國家均使用過鋼結(jié)構(gòu)防洪墻以抵御洪水。現(xiàn)借鑒其組合式結(jié)構(gòu),設(shè)計一種適用于渠道邊坡用修復(fù)作業(yè)的自沉式組合鋼圍堰,該設(shè)計改變了其打孔固定在地面的安裝形式,將主體結(jié)構(gòu)裝配在自沉式底座上,使其可以在渠道不斷流的情況下,實現(xiàn)不損壞邊坡部位的干地作業(yè),該設(shè)計可以使用到襯砌面板的損壞修復(fù)上,解決南水北調(diào)中線工程渠坡襯板損壞所帶來的安全隱患[3-5]。

        根據(jù)所設(shè)計結(jié)構(gòu)的性質(zhì)以及調(diào)研結(jié)果,確定采用立柱加擋水板的擋水結(jié)構(gòu),立柱和擋水板安裝在具有足夠質(zhì)量的底座上,底座依靠自身重力作用可在邊坡上保持穩(wěn)定,立柱后方增加支撐桿系,以保證立柱和擋水板在受到不同外部水壓時保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。立柱+擋水板+底座+支撐桿系組成單元圍堰,單元圍堰連接起來得到不同長度的組合式擋水圍堰,為保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,在邊坡上添加反力箱結(jié)構(gòu),并內(nèi)置配重。

        單元圍堰基本形狀如圖1 所示,組裝圍堰如圖2 所示。

        圖1 單元圍堰概念圖

        圖2 組裝圍堰概念圖

        該組裝圍堰在工作狀態(tài)下,底邊圍堰和側(cè)邊圍堰均受到自身重力、支撐桿支撐力、邊坡摩擦力以及干渠渠道水流的靜壓力和動壓力。在進(jìn)行計算時,首先確定水壓和摩擦力的大小,然后根據(jù)平衡條件去優(yōu)化構(gòu)建質(zhì)量和支撐結(jié)構(gòu),實現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

        1.1 圍堰水壓計算

        1.1.1 流速變化確定

        根據(jù)實地調(diào)研數(shù)據(jù),干渠橫斷面為上底46m,下底18m,深度7m 的等腰梯形,橫斷面面積為224m3。設(shè)計最大流量為265m3/s;由計算可知,該段干渠的最大水流速度v1=265/224=1.18 m/s。安裝圍堰后,水流橫截面發(fā)生改變,根據(jù)伯努利方程

        當(dāng)沉入圍堰后,圍堰處干渠橫截面積會縮小9m2,此時最大流速會增加到v2=1.21m/s。

        1.1.2 壅水高度確定

        圍堰處干渠橫截面積縮小后會發(fā)生壅水,此時邊坡處水流速度減小為零,即v3=0m/s。由伯努利方程,發(fā)生壅水后壓力勢能保持不變,速度由v2=1.21m/s 減小為零。計算可得出產(chǎn)生壅水的高度為:

        1.1.3.1 底邊圍堰和水流方向相同,與表面垂直方向的流速為零,因而只需要考慮靜壓力。根據(jù)(3)可知,單位長度圍堰承受的總靜壓力為:10000h2N/m (即每米圍堰在深度1 米時受力為10000N,2 米時為40000N,3 米時為90000N,隨著深度增加側(cè)壓力迅速增大)。

        1.1.3.2 側(cè)面圍堰面不僅受到靜壓作用,由于表面面對水流方向,還會受到動壓作用,可按(5)計算:

        1.2 重力計算

        按照初始設(shè)計,單位圍堰質(zhì)量為3420KG,單位圍堰長度為2 米,則組合式圍堰單位長度的重力初設(shè)定為17100N/m(取g=10m/s2)。

        1.3 底部摩擦力計算

        圍堰和邊坡之間的摩擦力可按照下式計算:

        式中,G 是圍堰重力。α 是邊坡的角度,f 是底座、支撐桿和邊坡之間的摩擦系數(shù)。

        已知單位長度的圍堰重力為17100N,cos(α)=8/9。在干地狀態(tài)下,f 取0.8-0.9(本次取0.8),在平整良好的濕潤坡面上,f 取0.4-0.5(本次取0.4)。在布滿淤泥和苔癬的坡面上,f取0.10-0.15(本次取0.10)。

        對以上取值分別展開計算,可得不同條件下單位長度的摩擦力分別為:12160N,6080N,1520N。

        2 組合式圍堰位置穩(wěn)定分析

        組合圍堰在邊坡上的穩(wěn)定主要通過自身重力、邊坡與圍堰底部間的摩擦力、水壓力等實現(xiàn)平衡獲得。本文針對以下三種情況估算自沉式圍堰放置在邊坡上的穩(wěn)定性:

        (1)圍堰底座放置于干燥的邊坡上,尚未入水時,圍堰不承受水壓,底座與干燥邊坡接觸;

        (2)底座和全部圍堰進(jìn)入水中,但尚未抽水形成作業(yè)區(qū)時,內(nèi)外側(cè)水壓平衡,底座與水下邊坡接觸;

        (3)正常作業(yè)時,圍堰中水被抽干,此時圍堰外側(cè)承受水壓,內(nèi)側(cè)沒有水壓,底座與水下邊坡接觸。

        2.1 第一種情況

        2.2 第二種情況

        圍堰底邊單元底座受力情況如圖3 所示。具體分析如圖3。

        圖3 雙向水壓圍堰底邊單元底座受力圖

        2.2.1 自身重力G 計算:

        底座是截面為直角梯形,長為2 米的柱體(底座上矩形槽和立柱孔對其質(zhì)量影響甚小,忽略不計)。其中直角梯形上下底邊分別為0.2 米和0.4 米,高為0.4 米,則底座的體積為:

        鋼材的密度為7800kg/m3,重力加速度取g=10N/kg。則底座重力為:

        2.2.2 底座側(cè)向水壓FP1:

        底座左右兩底邊受到側(cè)向水壓,上底邊側(cè)向壓力被下底邊部分水壓相消,即底座側(cè)向水壓為底座位于水深3.3~3.5米處水壓力:

        2.2.3 底座正向水壓力FP2:

        底座上表面與水平面平行,受到水的正向水壓力,該表面入水深度為h3=3.1m,表面面積為A=0.4×2=0.8m2。則底座受到正向水壓力為:

        此時在重力和正向水壓力作用下,底座有向下滑動的趨勢。底座與邊坡的接觸面為固定于底座的橡膠和邊坡的混凝土面板。

        2.2.4.1 在邊坡面板干凈平整時

        橡膠與濕混凝土面板間的附著系數(shù)為:φ=0.4~0.6。

        經(jīng)上述計算,所需摩擦系數(shù)小于附著系數(shù),可以保證底座穩(wěn)定,不出現(xiàn)下滑現(xiàn)象。

        2.2.4.2 在邊坡面板有大量淤泥和苔蘚時

        附著系數(shù)為:0.10-0.15,小于所需摩擦系數(shù)0.16,需要采用拉索等物保持圍堰不滑入水中。全部圍堰所需拉力為:

        2.3 第三種情況

        對于第三種情況,單位底邊圍堰受力情況如圖4 所示。

        圖4 單側(cè)向水壓圍堰底邊單元底座受力圖

        單位長度圍堰重力沿邊坡分力為:17100*4/9=7600N,單位長度水壓力沿邊坡分力為:90000*8/9=80000N, 支撐桿受到的垂直于邊坡的壓力為:186800N,在良好摩擦?xí)r,單位圍堰長度所受附著力為:Ff=(186800)*f+17100*f*8/9,機(jī)構(gòu)穩(wěn)定條件為:水壓力(80000)≦重力+摩擦力:

        2.3.1 在良好摩擦條件下,f=0.4 則摩擦力=81560N,重力分力=7600N, 重力分力+ 摩擦力=89160N ≥水壓力(80000N)因此可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

        2.3.2 在極限不良摩擦條件,f=0.10 則摩擦力=25500N,重力分力+摩擦力=33100N≦水壓力(80000N)系統(tǒng)無法實現(xiàn)穩(wěn)定。通過在干地區(qū)域增加圍堰重量保證系統(tǒng)不失穩(wěn)。所需平衡的壓力為:(80000-33100)*16=750400N。

        干地區(qū)域的向下分力為:G*sin(a)+f(附著)=560000N;干地區(qū)域增加圍堰重量為:56000KG,在兩側(cè)向圍堰頂部分別布置28000KG 左右的重物即可保證最為極限不良摩擦情況的穩(wěn)定性。

        3 組合式圍堰對邊坡基底壓力分析

        根據(jù)前期和施工期渠道揭露地質(zhì)編錄和地質(zhì)復(fù)核情況,工程區(qū)地層主要由上第三系粘土巖、砂巖等軟巖和第四系沖洪積及坡積物組成,邊坡水泥襯砌面板以下混凝土承載能力在120-300Kpa 之間。組合式圍堰主要構(gòu)件質(zhì)量和對基底的壓力如表1 所示。

        表1 主要構(gòu)件的質(zhì)量及壓力

        由表1 可知,主要部件對邊坡的壓力小于混凝土承壓,組合式圍堰不會對邊坡造成損壞。

        4 結(jié)構(gòu)建模及分析

        使用有限元軟件導(dǎo)入如圖1 所示現(xiàn)有三維模型,在受力面加載前文所述載荷,固定圍堰底面及兩側(cè)面,分析結(jié)果如圖5 所示。由分析結(jié)果,最大應(yīng)力為28.477MPa,最大總變形0.679mm。

        圖5 應(yīng)力云圖和總變形云圖

        5 結(jié)論

        根據(jù)有限元仿真分析,分析結(jié)果中的最大應(yīng)力28.477MPa 遠(yuǎn)小于所選材料的許用應(yīng)力235MPa,且最大總變形0.679mm,相較于單元圍堰的外形尺寸,變形是微小的,因此可以認(rèn)為本設(shè)計具有足夠的強(qiáng)度和剛度,完全滿足設(shè)計需求。

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