張 旭,魏 海,高興和
(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 蘇州 215000;2.昆山市水務(wù)工程建設(shè)管理處,江蘇 蘇州 215300)
武南河立交樞紐是武進(jìn)武南片區(qū)防洪除澇及暢流活水閘站建筑物工程中的節(jié)點(diǎn)工程,工程建成后將全面提高武進(jìn)武南片區(qū)防洪排澇能力,改善武進(jìn)武南片區(qū)水環(huán)境,推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。武南河立交樞紐共分為3個(gè)部分,即西閘站工程、立交地涵工程及東涵閘工程。樞紐的功能主要是利用西閘站自滆湖引水,通過(guò)西沉井[1]連接立交地涵,采用頂管工法[2]下穿武宜運(yùn)河,將清水輸送至運(yùn)河以東的東涵閘的涵首,后引水至主城區(qū)。工程引水期間工作原理斷面如圖1所示。
圖1 樞紐引水期間工作原理斷面示意圖
武南河立交樞紐工程場(chǎng)區(qū)位于武南河與武宜運(yùn)河交叉口處,武宜運(yùn)河為等級(jí)航道,貨運(yùn)船只往來(lái)頻繁,施工期不得斷航、阻航。同時(shí),施工場(chǎng)地周邊分布有高壓鐵塔、跨河水管、高壓燃?xì)夤芫€、電力管線、跨河橋梁等建(構(gòu))筑物,樞紐選址場(chǎng)區(qū)的周邊條件十分復(fù)雜,布置空間特別狹小。而樞紐功能包括了引水泵站、東西兩側(cè)各一座擋水水閘、輸水涵管、工作沉井等多種型式、多種功能的水工建筑物,若采取傳統(tǒng)水利工程按不同功能分區(qū),并列平鋪的分建方案,顯然無(wú)法滿足在有限的場(chǎng)地內(nèi)布置下如此多種水工建筑物的要求。
因此,武南河立交樞紐采用新型閘泵涵共體結(jié)構(gòu)型式。其中武宜運(yùn)河以西的西閘站工程,平面布置上采用3臺(tái)6.7m3/s泵站居中,2孔8m寬翻板門(mén)節(jié)制閘分居兩側(cè)的共體結(jié)構(gòu)。出水口連接地涵始發(fā)井;始發(fā)井下部采用2根內(nèi)徑3m預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管下穿武宜運(yùn)河接至武南河側(cè)接收井;東涵閘采用閘上涵下的共體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),下部為地涵接收井,上部為單孔凈寬16m底軸驅(qū)動(dòng)翻板節(jié)制閘,下部接收井即地涵出水口,引滆湖清水至武南河后送入主城區(qū)。樞紐引水平面示意如圖2所示。
圖2 引水期間樞紐平面示意圖
武南河立交樞紐總體布置采用閘、泵、涵互為融合共體的新型結(jié)構(gòu)型式,相較于分功能獨(dú)立布置的傳統(tǒng)水利樞紐工程,具備以下顯著特點(diǎn):
(1)立交疊合設(shè)計(jì)功能互為利用,水力銜接更優(yōu),結(jié)構(gòu)相互增強(qiáng)。
閘站工程設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮水閘、泵站和地涵在垂直方向上具有上下疊合的特點(diǎn),水閘閘室位于上部,泵站泵室位于中部,地涵頂管位于下部,形成閘泵涵一體的多功能組合型水工建筑物。水閘閘室與泵室,平面上互間互錯(cuò),立面上閘上泵下相互疊合,立體空間互為利用,地涵涵首直接連接泵站流道,深埋于平交河床之下,水流分級(jí)跌落,更有利于水力銜接。同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,疊合錯(cuò)位設(shè)計(jì)不僅可節(jié)省施工空間,同時(shí)可以使閘泵涵結(jié)構(gòu)互為加強(qiáng),滿足結(jié)構(gòu)安全需要。
(2)閘泵涵共體,任意組合;控制調(diào)度,靈活多變。
新型共體結(jié)構(gòu)下部布置泵室、地涵涵首,上部布置水閘閘首。除武南河立交樞紐的布置方式外,還可根據(jù)閘、泵、涵各自規(guī)模大小及其交叉過(guò)流、銜接布置等不同的功能需要,進(jìn)行靈活多變的組合。即水閘、泵室、地涵均可按單孔、雙孔、三孔甚至多孔結(jié)構(gòu),進(jìn)行任意不同孔徑與孔數(shù)的共體組合;在控制調(diào)度上,上部水閘和下部泵室、地涵均可設(shè)置可啟閉控制的閘門(mén),進(jìn)行單控或雙控,一般單控上部水閘或下部泵站,即可實(shí)現(xiàn)平交水流的立交分流與合流功能,如需對(duì)地涵也進(jìn)行控制,也可在共體結(jié)構(gòu)下部地涵設(shè)置閘門(mén)控制,實(shí)現(xiàn)雙控,閘泵涵共體控制調(diào)度隨著組合不同而靈活多變,如圖3—6所示。
圖3 閘泵組合型式一(武南河立交采用型式)
圖4 閘泵組合型式二
圖5 閘泵組合型式三
圖6 閘泵組合型式四
(3)樞紐主體全部位于地下,地上無(wú)高聳建筑物遮擋,水上通視,易于與周邊景觀銜接。
常規(guī)水工建筑物水面以上通常設(shè)置主、副廠房,檢修室,啟閉機(jī)室等地面建筑,地面建筑風(fēng)格設(shè)計(jì)的水平通常是決定整個(gè)水利工程風(fēng)貌的關(guān)鍵。新型共體設(shè)計(jì)使閘泵疊合布置,既有利于高程上與引水涵管的銜接,也充分利用了空間。其中下部空間可將閘底板之下空間聯(lián)通,形成貫通的泵室空間,流道之上的空間,做成空箱結(jié)構(gòu),用于布設(shè)閘泵的啟閉控制設(shè)備(啟閉控制室),實(shí)現(xiàn)上下空間的高效利用。同時(shí),采用多支鉸處理底軸驅(qū)動(dòng)翻板門(mén)控制技術(shù),單驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),地面移動(dòng)吊裝方案,使樞紐實(shí)現(xiàn)全開(kāi)敞、高隱蔽和水力造景的特性。其多層錯(cuò)落疊合布局,閘泵涵及其控制室均處于地下,地上場(chǎng)地開(kāi)闊,視野無(wú)遮攔,水工建筑新穎,水利功能齊備,組合優(yōu)勢(shì)明顯。
武南河立交樞紐采用新型共體式布置方案,閘站結(jié)構(gòu)新穎而復(fù)雜,為準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)體受力狀態(tài),掌握結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況,確保新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。工程設(shè)計(jì)中采用了在土木工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的大型通用三維有限元計(jì)算軟件,以武南河立交樞紐西閘站共體式結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)值仿真分析。
有限單元法(FEM,F(xiàn)inite Element Method)是一種為求解偏微分方程邊值問(wèn)題近似解的數(shù)值模擬技術(shù)[3]。有限單元法分析過(guò)程大體分為以下幾個(gè)步驟:①將研究對(duì)象離散化;②根據(jù)虛功原理,通過(guò)單位剛度矩陣建立節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的平衡方程;③通過(guò)單元平衡方程,建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程;將單位剛度矩陣轉(zhuǎn)換成整體剛度矩陣,并將作用于每個(gè)單元上的節(jié)點(diǎn)力轉(zhuǎn)換成總的荷載列陣,從而得到整體平衡方程:[K]{δ}=[R];④引入幾何邊界條件,計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位移矢量;⑤由節(jié)點(diǎn)位移矢量計(jì)算單元應(yīng)力。
首先,建立三維實(shí)體模型,為站身鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及地基土層分別選取軟件自帶實(shí)體單元進(jìn)行模擬。地基土層的材料根據(jù)地質(zhì)資料進(jìn)行定義,其中地基土選擇彈塑性地基模型來(lái)模擬(Drucker-Prager模型根據(jù)D-P屈服準(zhǔn)則定義土體性質(zhì)[4-5],運(yùn)用胡克定律求解彈性變形,塑性理論求解塑性變形,疊加求得總變形量),最后利用軟件自帶的網(wǎng)格剖分功能對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[6-8],如圖7所示,定義模型的邊界條件和初始條件(重力場(chǎng))。分別按均布荷載添加邊荷載、揚(yáng)壓力荷載;按梯度荷載添加水、土壓力荷載。最后,對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算,如圖8所示。
圖7 站身網(wǎng)格模型
圖8 站身應(yīng)力云圖
通過(guò)對(duì)不同工況下位移和應(yīng)力結(jié)果的分析計(jì)算,得出最大位移和最大拉壓應(yīng)力均發(fā)生在完建期工況,位移變化以豎向位移為主,在完建期工況結(jié)構(gòu)的豎向位移最大值為3.42cm,最小位移值是3.08cm,結(jié)構(gòu)體的絕對(duì)沉降與不均勻沉降均符合規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力值為4.91MPa,最大拉應(yīng)力值為1.96MPa,在邊墩與頂板和底板的連接處等部位會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,實(shí)際工程設(shè)計(jì)中已通過(guò)加強(qiáng)局部鋼筋配筋量或增設(shè)貼腳等方法進(jìn)行了處理。
工程設(shè)計(jì)中開(kāi)展了針對(duì)設(shè)計(jì)方案整體水力銜接數(shù)值模擬與優(yōu)化的專(zhuān)題研究,采用目前被廣泛應(yīng)用的商用湍流數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)樞紐進(jìn)水前池、泵站站身、立交地涵等部位建立三維模型(如圖9所示),并對(duì)樞紐引水期不同水位組合對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[9-10],分析了多種工況組合下的水流流態(tài)及水力損失。通過(guò)優(yōu)化泵裝置、優(yōu)選管徑、改善流態(tài)等措施降低工程能耗,從而達(dá)到減少武南河立交樞紐建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本的目的。
圖9 水力模型及流場(chǎng)分布云圖
研究的主要內(nèi)容包括:在不同管徑、不同開(kāi)機(jī)組合條件下,對(duì)泵涵管線整體水力銜接以及泵裝置進(jìn)出水流道、前池等進(jìn)行CFD計(jì)算。得到泵站出水流道與地涵、地涵與出水口等節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)水力銜接斷面,通過(guò)分析、比選管道線型對(duì)水流流態(tài)、流速分布及水頭損失等水力學(xué)參數(shù)的影響,獲得泵涵進(jìn)出水整體最優(yōu)水力銜接方案。
根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出各工況組合下的沿程、局部水力總損失,見(jiàn)表1,并據(jù)此推導(dǎo)出泵裝置最優(yōu)水力性能,從而得到最優(yōu)水泵選型方案,最大限度的降低了建成后水泵后期的運(yùn)行成本。
表1 泵涵全程水力損失計(jì)算匯總表 單位:m
傳統(tǒng)水利工程大都建在城市外圍比較偏遠(yuǎn)的工程場(chǎng)地上,工程用地矛盾較小,限制較少。而隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,城市外圍防洪排澇體系日漸完善,而城市水網(wǎng)內(nèi)部水生態(tài)、水環(huán)境、水安全等問(wèn)題日益顯著,廣大人民群眾對(duì)城市水體質(zhì)量提升的需求逐步提高。水利建設(shè)的側(cè)重點(diǎn)逐步向以改善水環(huán)境為目的的城區(qū)河網(wǎng)引調(diào)水工程傾斜。同時(shí),城區(qū)河網(wǎng)建設(shè)水利工程通常涉及沿線征遷量大、牽涉利益矛盾多、協(xié)調(diào)難度大、用地費(fèi)用高,工程推進(jìn)難度大且不可預(yù)見(jiàn)因素多等難題。所以,傳統(tǒng)的水利工程宏偉、粗獷的布置理念已經(jīng)不適應(yīng)新的城區(qū)水利建設(shè)的新特點(diǎn)、新趨勢(shì)。
新型閘泵涵共體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,使不同功能的水利工程實(shí)現(xiàn)融合化、立體化、小型化、集成化。最大限度的使各功能區(qū)之間實(shí)現(xiàn)疊合布置,相互增強(qiáng),有序銜接,空間聯(lián)通,從而達(dá)到在主城區(qū)水利工程建設(shè)中優(yōu)化空間、減少征地、節(jié)省投資的目的。新型閘泵涵共體結(jié)構(gòu)特別適用于為城區(qū)平原水網(wǎng)交叉水流提供水動(dòng)力的引調(diào)水工程,從小型閘泵涵到大型引水立交樞紐均具有廣泛的適用性。同時(shí),結(jié)構(gòu)型式靈活多變、任意組合,適用范圍廣泛,便于推廣應(yīng)用。
該型結(jié)構(gòu)已在武南河立交樞紐上得到應(yīng)用,為工程減少了移民征地范圍,既節(jié)約了土地資源和工程造價(jià),又避免了不必要的征遷矛盾。其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為后續(xù)類(lèi)似功能的水利樞紐提供了新的設(shè)計(jì)思路和解決方案。
本文提出一種新型閘泵涵共體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,并應(yīng)用于武南河立交樞紐的工程設(shè)計(jì)中,成功解決了在場(chǎng)地條件復(fù)雜、空間狹小的場(chǎng)區(qū)內(nèi)布置多功能水利樞紐工程的難題。并應(yīng)用數(shù)值模擬仿真技術(shù),對(duì)樞紐采用的共體式新型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、水力銜接等內(nèi)容進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,根據(jù)計(jì)算得出的應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)位移、水力損失等計(jì)算結(jié)果,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。從而達(dá)到了減少工程建設(shè)投資、降低運(yùn)營(yíng)成本的目的,對(duì)今后類(lèi)似水利工程的設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。
與此同時(shí),由于工程施工工期緊、設(shè)計(jì)周期短,本新型結(jié)構(gòu)尚有進(jìn)一步改進(jìn)完善的空間,后期將通過(guò)模型試驗(yàn)和在工程實(shí)體中埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)施等手段,對(duì)新型結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,從而進(jìn)一步優(yōu)化、完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。