南水北調中線一期工程鄭州段須水河倒虹吸管身段結構計算

□劉少麗 □耿 波 □任松林（黃河勘測規劃設計有限公司）

1 概述

須水河是索須河支流，淮河流域賈魯河二級支流，交叉斷面以上河道干流長13.40 km，流域面積66.10 km2。須水河為季節性河流，河床寬約15.00 m，河底高程約118.00 m；兩岸漫灘高程約120～121 m；左右岸一級階地階面高程約123.00 m。建筑物建基面均位于第③層重粉質壤土中，工程地質條件較好。交叉斷面處，河道100 a一遇洪峰流量1250 m3/s，300 a一遇洪峰流量1600 m3/s。倒虹吸設計流量為270 m3/s，加大流量330 m3/s。建筑物設計水頭0.13 m，建筑物總長375 m，管身段長250 m。

南水北調中線總干渠為一等工程，須水河渠道倒虹吸管身段、連接段及漸變段均為一級建筑物。河道控導與防護工程為三級建筑物。渠道倒虹吸各部位防洪標準均按100 a一遇設計，300 a一遇校核。

2 結構計算

2.1 基本資料

須水河渠道倒虹吸管身分為河岸段和河槽段，河岸段回填土高程126.48 m，填土高度9.64 m，河槽段回填土高程118.39 m，考慮工程建成后的回淤，填土高程按119.39 m，填土高度4.00 m。管身填土綜合指標：濕容重為19 kN/m3，浮容重為10 kN/m3，土的綜合摩擦角28°，側向土壓力按靜止土壓力考慮。根據地質報告成果，地下水位在管身建基面以下。倒虹吸管采用C30混凝土和Ⅱ級鋼筋。渠道倒虹吸設計地震動峰值加速度為0.10 g，相應基本烈度7°。

倒虹吸管身橫向共4孔，分為兩聯，一聯由2孔箱形鋼筋混凝土結構，左右對稱布置，兩聯中間設2 cm寬沉陷縫。根據水力計算結果，倒虹吸孔徑取為7.00 m×7.00 m。河岸段管身結構尺寸：倒虹吸邊墻厚度采用1.60 m，中墻厚1.20 m，縫墻1.20 m，底板厚1.60 m，頂板厚1.60 m，河槽段管身結構尺寸：倒虹吸邊墻厚度采用1.30 m，中墻厚1.20 m，縫墻厚1.20 m，底板厚1.30 m，頂板厚1.30 m。為解決應力集中問題，在倒虹吸頂、底板與邊墻及中墻交接部位設置0.60 m×0.60 m貼角。在水平管段底板的末端設置集水井，以備倒虹吸檢修時能盡快抽干積水。為盡量減少水頭損失，在倒虹吸進口頂部設圓弧，為防止人及牲畜掉入倒虹吸，設計倒虹吸進出口胸墻頂同進出口閘墩頂平齊。

2.2 計算方法

須水河倒虹吸橫斷面為2聯4孔，對稱布置，因此取1聯進行計算。計算模型采用彈性地基上的框架算法進行結構計算。內力計算采用水利水電工程設計程序集G—14（帶斜桿帶彈性地基梁的平面框架內力及配筋計算程序）及結構力學求解器（SMSolver）輔助計算。結構配筋及裂縫寬度計算均按《水工混凝土結構設計規范）》（SL191-2008）要求進行，裂縫寬度允許值為0.20 mm。

2.3 計算假定及參數

倒虹吸管身簡化為彈性地基上帶剛域的框架，底板簡化為彈性地基梁單元，彈性地基梁采用文克爾假定，其解用初參數法公式。對于彈性地基梁的變位不進行檢驗，不檢驗變位的單元類型數為9個，地基彈性抗力系數取為2800 t/m3。

對結構進行編號時，彈性地基梁應編在最后，且每根桿件為一種類型（即使桿件參數完全相同，也按不同類型對待）。對于需要考慮剛域的桿件，將此桿件的剛域分離出來，作為一個單獨的桿件參與結構分析。桿件內力求出后，按《水工混凝土結構設計規范）》（SL191-2008）進行配筋計算。

2.4 荷載及組合

倒虹吸管結構所受荷載，參考《水工建筑物荷載設計規范》（DL5077－1977）進行計算，溫度荷載考慮內外表面溫差5℃，溫度荷載產生的內力由結構力學求解器（SMSolver）計算，最后疊加入其他荷載產生的內力進行結構配筋計算。

表1 倒虹吸管結構計算荷載及組合與安全系數表

2.5 計算結果

經過以上內力計算，根據《水工混凝土結構設計規范》（SL191-2008），考慮裂縫寬度分布不均勻性及荷載長期作用影響后的最大裂縫寬度，對其進行配筋復核和承載能力復核，得出控制工況和各區域的配筋面積。內力計算結果及配筋結果見下表2和表3。

表2 河槽段—倒虹吸管身結構計算成果匯總表

表3 河岸段—倒虹吸管身結構計算成果匯總表

3 結論

通過上述對倒虹吸結構在各工況的內力計算分析表明,采用所配置的鋼筋均滿足設計要求。目前南水北調中線已通水半年有余，須水河倒虹吸運用狀態良好，表明這種計算方法是簡單并且可行可靠的，可為同類倒虹吸結構設計提供經驗和依據。