引灤明渠窩頭河倒虹吸三維有限元分析

徐 超，靳長亮，陳春寶，張 偉

（天津市引灤工程潮白河管理處，天津 301800）

原引灤明渠窩頭河倒虹吸坐落于潮白河管理處管轄范圍內樁號10+498處，修建于1982年，承擔著寶坻城區污水排泄、汛期瀝澇排泄和輸水灌溉的任務。窩頭河作為寶坻城區的一條排放污瀝水的河道，主要承擔污水排泄、汛期排瀝和輸水灌溉的任務，其河水通過窩頭河倒虹吸從引灤明渠底部穿過。由于窩頭河擔負著寶坻區沿河部分農田灌溉任務，河水常被攔蓄抬高，特別是在汛期，窩頭河污水水位經常高于明渠水位（窩頭河倒虹吸進出口常年的河水位在1.41～2.91 m之間），且寶坻城區常年向窩頭河直接排放生活污水。實際運行期間，倒虹吸進出口處垃圾遍布，臭味彌漫，水質為劣Ⅴ類。

2009年，天津市水務局對窩頭河倒虹吸進行了改造，延長了倒虹吸涵管，同時借停水期較長的時機對倒虹吸箱涵進行必要的檢測及維修，目前看基本上無危害。此次改造工程對該倒虹吸的進出口向外延伸，重建進出口建筑物并對其周邊環境進行整治。此次改建的主要目的是使窩頭河的污水排放遠離引灤明渠，減少徑向滲流對引灤明渠的污染，改善引灤明渠兩岸的環境[1]。

為保障該倒虹吸的安全運營，本文對其進行了三維有限元分析，查看其應力分布情況，校核結構安全性。

1 結構概況

窩頭河倒虹吸改造工程分為上下游兩部分：①上游主要包括原有閘室、攔污橋、護砌等項目的拆除以及新建箱涵、閘室等，改造后的倒虹吸進口向上游前移30 m。②下游主要包括原有消力池、護砌等項目的拆除恢復以及新建箱涵等，改造后的倒虹吸出口向下游后移20 m。窩頭河倒虹吸改造完成后，進、出口地面與現狀地面順接。

采用2孔一聯混凝土結構，過水斷面尺寸為寬×高＝2 m×2 m，混凝土強度等級C30，混凝土軸心抗壓強度標準值（fck）＝20.1MPa、設計值（fc）＝14.3MPa，混凝土軸心抗拉強度標準值（ftk）＝2.01MPa，彈性模量（Ec）＝3.0×104MPa，泊松比（νc）＝0.167[2]。新舊倒虹吸通過箱涵轉彎段連接，其中上游箱涵轉彎段橫斷面如圖1所示、平面如圖2所示。

2 應力分析原則

轉彎段受力較為復雜，因而對其分析即可校核結構的安全狀況。

2.1 工況確定

作用在倒虹吸結構上的荷載包括：結構自重，倒虹吸內水的自重和內水壓力，倒虹吸頂部覆土和外水壓力，倒虹吸側面土壓力和外水壓力。根據倒虹吸結構的實際受力情況和工作條件，同時考慮到減少工作量，僅驗算雙孔全部滿槽過水、埋土全被沖走時轉彎段的應力情況。這一短暫的工況需要考慮的荷載有：結構自重，倒虹吸內水的自重和滿槽內水壓力。

2.2 有限元分析模型

由于倒虹吸預應力混凝土結構不允許混凝土開裂，所有材料均處于彈性工作狀態，選用有限元彈性數值模型可精確分析其受力狀態?？紤]地基土和混凝土墊層對結構內力分布的影響，采用有限元軟件系統進行混凝土分析時，需要考慮鋼筋存在的影響，因而混凝土單元采用均化的鋼筋混凝土折算彈性模量，不考慮預應力鋼絞線對結構剛度的增強作用，使計算結果稍偏于安全。為簡化計算，考慮到倒虹吸管下部地基土對結構內力分布的影響，依據圣維南原理從倒虹吸管底部向下取地下基礎厚為5.0 m、從倒虹吸管邊墻向外取10.0 m進行模擬[3-6]。三維有限元網格剖分如圖3-4所示。

3 應力分析

3.1 橫向應力

有限元分析狀況如圖5所示，可見倒虹吸在極限工況下，倒虹吸轉彎段的頂板和豎墻混凝土存在連續分布的拉應力，豎墻根部混凝土拉應力較大，拉應力最大值是1.52MPa，底部全部呈現受壓狀態。

3.2 縱向應力

有限元分析狀況如圖6所示，可見倒虹吸在極限工況下，倒虹吸轉彎段的頂板、豎墻和底板混凝土沿縱向存在連續分布的壓應力區，僅在豎墻底部外側存在零星分布的拉應力點，而且拉應力均較小，其最大值是1.15 MPa。

3.3 豎向應力

有限元分析狀況如圖7所示，可見倒虹吸在極限工況下，倒虹吸轉彎段的頂板、豎墻和底板混凝土沿縱向存在連續分布的壓應力區，僅在豎墻底部外側沿縱向有一拉應力帶，而且拉應力值較小，其最大值是1.69 MPa。

4 結論

根據現行規范[2]，倒虹吸長期處于地下和水下環境，環境條件為二類，按照受彎構件進行計算，作用（荷載）效應組合下，結構受拉邊緣混凝土的允許拉應力限制系數（αct）為0.85，即：

式中：σc為作用（荷載）效應組合下驗算邊緣的混凝土法向拉應力；ftk為混凝土的軸心抗拉強度標準值；γ為截面抵抗矩塑性系數，取γ=1.55。

結構混凝土截面邊緣纖維混凝土的拉應力（σc）≤2.65 MPa。倒虹吸上游轉彎段在極限工況下部分部位出現的最大橫向、縱向和豎向拉應力分別是 1.52、1.15和 1.69 MPa，均小于2.65 MPa，因而不會出現混凝土開裂。從有限元分析結果來看，該轉彎段在極限工況下是安全的，不會出現混凝土開裂。

[1]趙桂軍.引灤明渠周邊水環境淺析 [J].中國科技縱橫，2010（19）：132.

[2]水利部.水工混凝土結構設計規范 （SL191-2008）[M].北京：中國水利電力出版社，2008.

[3]裴松偉，李曉芬，李曉克，等.安陽河預應力混凝土倒虹吸結構計算分析[J].中原工學院學報，2007（4）：56-59.

[4]裴松偉，姚賢華，趙順波.大型預應力混凝土倒虹吸結構設計[J].山西建筑，2007（29）：364-365.

[5]滑令，郄志紅，王智勇，等.大型預應力箱型倒虹吸的三維有限元分析[J].水科學與工程技術，2006（2）：26-28.

[6]孫明權，馬海霞，楊書統.基于ANSYS的倒虹吸有限元分析[J].黑龍江水專學報，2008（1）：8-11.