南水北調(diào)中線工程三里莊溝左岸排水渡槽槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

□杜 征（四川大學(xué)水利水電學(xué)院）

1 基本情況

三里莊溝屬海河流域衛(wèi)河水系內(nèi)的一條小河道，位于太行山前沖洪積平原，從東北流向西南，屬季節(jié)性河流。溝道發(fā)源于輝縣市西部丘陵地區(qū)，在輝縣市三里莊村附近與總干渠相交。交叉斷面以上集面積1.63km2，溝長2.38km，平均比降1.91×10-2。

總干渠與三里莊溝交叉處為全挖方渠段，該段總干渠設(shè)計(jì)流量260m3/s，加大流量310m3/s，相應(yīng)水位分別為99.46m和99.97m。渠道斷面要素為：渠底高程92.46m，渠道底寬15.50m，比降 1/20000，糙率 1.50×10-2，一級內(nèi)邊坡 1∶2.00，二級邊坡1∶1.50；左、右岸一級馬道高程均為 101.47 m，寬度均為 5 m，總干渠運(yùn)行維護(hù)道路設(shè)置在渠道右側(cè)。沿渠道開挖線向外13m范圍內(nèi)左岸設(shè)防洪堤、防護(hù)林帶、截流溝和防護(hù)圍欄，右岸除不設(shè)截流溝外其他與左岸相同。

2 地質(zhì)條件

三里莊溝位于河南省輝縣市百泉鎮(zhèn)三里莊南500 m處，工程區(qū)位于太行山山前沖洪積平原和華北平原過渡地帶，地勢東北高西南低，三里莊溝呈東北西南流向，溝底高程103.50～101.00 m，呈寬淺型，兩岸為耕地，地面高程106.60～108.50 m。工程區(qū)位于華北準(zhǔn)地臺山西臺背斜的東南部，新構(gòu)造分區(qū)為華北斷陷～隆起區(qū)太行山隆起東南部邊緣，區(qū)域斷裂構(gòu)造空間展布以北東向?yàn)橹鳎螢楸蔽飨颉Ｔ诳碧缴疃确秶鷥?nèi)，場區(qū)上覆第四系粘性土、卵石，下伏上第三系砂巖、粘土巖。場區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.20g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度區(qū)。

場區(qū)地下水類型為孔隙～裂隙潛水，含水層為第四系中更新統(tǒng)卵石、上第三系砂巖，地下水位標(biāo)高85.07～85.23m。

場區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水和側(cè)向逕流補(bǔ)給，排泄方式主要為側(cè)向逕流和人工開采。地下水化學(xué)類型為“HCO3-Ca”型；礦化度0.23g/L，屬淡水；總硬度16.68H°，屬硬水；pH值7.48，呈弱堿性；侵蝕性CO2含量為0，對混凝土無腐蝕性。

3 建筑物型式確定及工程總布置

3.1 建筑物型式確定

三里莊溝與總干渠交叉斷面處，總干渠設(shè)計(jì)水位為22.46m，加大水位為22.17m，渠底高程22.46m。三里莊溝溝底高程為103.50 m，高于總干渠各工況水位，因此根據(jù)地形條件，經(jīng)分析比較后確定總干渠與三里莊溝交叉建筑物型式選用排水渡槽。

3.2 槽身斷面尺寸擬定

首先擬定槽身比降及不同的槽身寬寬，按明渠均勻流計(jì)算各種槽寬的水深～流量關(guān)系曲線及相應(yīng)的進(jìn)口后水位～流量關(guān)系曲線；再按寬頂堰計(jì)算各種槽寬的進(jìn)口前水位～流量關(guān)系曲線；然后通過調(diào)洪演算確定各種槽寬不同頻率時(shí)的上游壅高水位。根據(jù)河道洪水大小、上游防洪要求、回水淹沒損失以及地形地貌條件等確定槽身設(shè)計(jì)斷面（寬×高）為4.00m×3.85m。

3.3 工程總布置

三里莊溝排水渡槽工程主要由槽身段、落地槽段、涵洞段、上游進(jìn)口段和下游消能防沖段等5部分組成，建筑物全長177.20m。其中槽身段長54.80m,為下承式預(yù)應(yīng)力桁架拱矩形槽結(jié)構(gòu),槽身下部中墩為雙柱單排架支承結(jié)構(gòu);落地槽段布置在槽身與涵洞之間，上、下游落地槽長度均為11.00m,橫向?yàn)榫匦尾劢Y(jié)構(gòu)，與槽身斷面相對應(yīng)，槽底凈寬4.00m，側(cè)墻高3.85 m;涵洞段布置在落地槽進(jìn)出口，上游涵洞長2.00m，下游涵洞長5.60 m;進(jìn)口連接段包括護(hù)砌段和漸變段兩部分，總長27.00 m;消能防沖段包括陡坡、消力池和海漫3部分，總長52.50m。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 槽身結(jié)構(gòu)尺寸擬定

4.1.1 矢跨比及節(jié)間距選定

根據(jù)工程布置、水力計(jì)算成果、以及桁架拱的力學(xué)特性，初步擬定不同的桁架拱軸線長度、節(jié)間距、矢高進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示：矢跨比越大，結(jié)構(gòu)受力條件越好；桁架拱片的節(jié)間距越小，對結(jié)構(gòu)受力越有利。但矢跨比過大對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定不利，給施工也帶來不便；桁架拱片的節(jié)間距過小，對曲桿發(fā)揮作用的限制也越大，從而對整個(gè)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特性起不利影響。故根據(jù)工程實(shí)踐，并考慮地形、施工條件、槽身結(jié)構(gòu)型式及材料用量等因素，最后選定桁架拱軸線長度l＝26.40m、節(jié)間距b＝2.20 m、矢高f＝6.00m、矢跨比f/l＝1/4.40進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

4.1.2 上弦桿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

桁架拱的每榀桁架均由上弦桿、下弦桿和豎桿組成。下弦桿為一水平直桿；豎桿由不等長的直桿組成；上弦桿為采用二次拋物線曲桿，拱軸方程，任一節(jié)點(diǎn)i的坐標(biāo)用計(jì)算，傾角用計(jì)算，長度用計(jì)算。拱軸線各節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)詳見表1。

表1 上弦桿軸線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及長度計(jì)算表

4.1.3 桿件截面尺寸

根據(jù)桁架拱受力特點(diǎn)，從最佳受力角度考慮，上弦桿截面高度在滿足強(qiáng)度和構(gòu)造要求的前提下宜采用較小值；下弦桿截面高度宜比上弦桿截面高度小；豎桿截面高度宜小于或等于下弦桿截面高度；拱片各桿件截面寬度宜采用相同值。據(jù)此，初步擬定各桿件截面尺寸（寬×高）為：上弦桿40 cm×50 cm，下弦桿40 cm×40 cm，豎桿40 cm×40 cm，上橫系梁25 cm×30 cm，下橫系梁30cm×50cm。

4.2 荷載組合

作用于桁架拱上的荷載有結(jié)構(gòu)自重、水壓力和活荷載，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，左岸排水渡槽設(shè)計(jì)擬采用以下荷載組合：短暫狀況基本組合，即自重+50年設(shè)計(jì)洪水+活荷；偶然狀況偶然組合，即自重+200年校核洪水+活荷；短暫狀況短期組合，即自重+50年設(shè)計(jì)洪水+活荷。各種設(shè)計(jì)工況下的荷載組合及安全系數(shù)詳見表2。

4.3 桿件內(nèi)力及節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算

桁架拱為空間剛架結(jié)構(gòu)，內(nèi)力計(jì)算采用空間有限元程序ALGORFEAS（SuperSAP93）進(jìn)行。

4.3.1 計(jì)算模型確定

桁架拱本身是高次超靜定結(jié)構(gòu)，但對下部支承排架而言，因縱向桁架兩端是簡支橡膠支座而變成了軸對稱簡支結(jié)構(gòu)，因此，利用結(jié)構(gòu)、荷載的對稱性，取半跨桁架拱作為計(jì)算模型。

表2 排水渡槽結(jié)構(gòu)計(jì)算荷載組合及安全系數(shù)表

4.3.2 桿件單元?jiǎng)澐?/p>

桁架的上、下弦桿與豎桿連接處以及豎桿與上、下橫梁的連接處均為節(jié)點(diǎn)，每兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的桿件即為一個(gè)單元。

4.3.3 整體、局部坐標(biāo)確定

按照ALGOR有限元程序規(guī)定，縱向桁架拱以4節(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，順渡槽水流方向?yàn)閄軸，垂直水流方向?yàn)閆軸，垂直水面方向?yàn)閅軸。各桿件局部坐標(biāo)軸均以節(jié)點(diǎn)編號從小到大，順桿件軸向?yàn)?軸方向；2軸方向橫桿指向整體坐標(biāo)系下的＋y方向，豎桿指向整體坐標(biāo)系下的－x方向；3軸與1、2軸呈左手螺旋關(guān)系，即2軸繞1軸端逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°為3軸方向。

4.3.4 內(nèi)力與節(jié)點(diǎn)位移計(jì)算

運(yùn)行ALGORFEAS軟件可計(jì)算出各桿件在1軸、2軸和3軸方向內(nèi)力值及各方向的節(jié)點(diǎn)變位。取小號端至計(jì)算截面間的桿段為脫離體，凡與局部坐標(biāo)軸同向者為正，反之為負(fù)。

運(yùn)用ALGORFEAS軟件計(jì)算的內(nèi)力為標(biāo)準(zhǔn)值，按照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.1條規(guī)定，對結(jié)構(gòu)安全級別為Ⅰ級的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1；對應(yīng)于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，其設(shè)計(jì)狀況系數(shù)可分別取1.00、0.95、和0.85。因此，內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)乘以構(gòu)重要性系數(shù)和設(shè)計(jì)狀況系數(shù)才是內(nèi)力設(shè)計(jì)值。

4.4 主要構(gòu)件的配筋計(jì)算

從內(nèi)力計(jì)算成果看，桁架拱下弦桿為主要受拉構(gòu)件，為限制裂縫開展寬度，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，其余構(gòu)件均采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土強(qiáng)度等級為C50，預(yù)應(yīng)力鋼筋選用7φ5鋼絞線，普通鋼筋選用Ⅰ級和Ⅱ級鋼筋。

5 結(jié)語

三里莊溝排水渡槽工程是南水北調(diào)中線工程的一部分，其對于南水北調(diào)的全線貫通具有重要意義。經(jīng)過方案的比選而選定的排水式渡槽較好地適應(yīng)了三里溝莊的地質(zhì)條件,槽身結(jié)構(gòu)計(jì)算采用ALGORFEAS軟件計(jì)算，較好的模擬了渡槽槽身空間受力形態(tài)。本文從渡槽規(guī)模確定、槽身結(jié)構(gòu)尺寸包括矢跨比及節(jié)間距、桿件尺寸等擬定，到荷載組合、計(jì)算模型確定、桿件單元?jiǎng)澐值龋岢隽擞?jì)算步驟和方法供探討。