MIDAS Civil在穆家溝水庫鯽江河渡槽受力計算中的應用

朱 熙，陳虹旭，唐志波

（四川大學水利水電學院,四川 成都 610000）

隨著現代施工技術的提高,橫跨于大河之上的渡槽比比皆是,然而其中運用midas civil軟件進行有限元受力分析的卻不太普遍,本工程中的鯽江河渡槽拱跨徑為60 m,高度為15 m,為跨度較大的拱槽結構,本文通過 MIDAS Civil 建模及動態演示對拱槽對其受力情況進行分析,結合相關優化設計方案使施工做到經濟、安全,為其他拱槽設計提供借鑒作用。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

穆家溝水庫工程位于鯽江河支流穆家溝上,穆家溝屬于岷江左岸二級支溝,鯽江河右岸一級支溝。壩址位于眉山市東坡區崇禮鎮柏楊村,距眉山市約9 km,距成都市約83 km,壩址下游有簡易道路通往壩址位置,對外交通條件一般。

穆家溝水庫工程是一項農業灌溉、農村生活供水等綜合利用的中型水利工程,并作為眉山市城區應急備用水源。水庫供水范圍包括崇禮、金花、復興、柳圣4個鄉鎮,總灌溉面積6.10 萬畝；供水人口3.83 萬人。工程多年平均供水量2225 萬m3,其中東風渠直供水量553 萬m3,水庫供水量1672 萬m3。

穆家溝水庫工程壩址控制集水面積15.6 km2,主河道河長8.10 km,平均比降6.35‰。校核洪水位446.59 m,設計洪水位446.27 m,正常蓄水位445.50m,死水位435.00 m。水庫總庫容1408 萬m3,正常蓄水位對應庫容1237 萬m3,興利庫容1029 萬m3,死庫容208 萬m3。穆家溝水庫工程包括樞紐工程及灌區工程。其中灌區工程左干渠最低取水位為435.00 m（死水位）,設計引水流量2.90 m3/s,全長5.67 km。左干渠跨鯽江河渡槽設計過流能力為2.45 m3/s,加大流量為3.06 m3/s,左干渠跨鯽江河渡槽提高一級為4 級建筑物。

1.2 渡槽布置

渡槽全長413.24 m,分別為3 跨9.413 m渡槽段（Z3+473.69～Z3+501.93）、38 跨10 m渡槽段（Z3+501.93～Z3+881.93）、5 m漸變段（Z3+881.93～Z3+886.93）。渡槽上部結構采用鋼筋混凝土結構,下部結構為排架形式,排架尺寸詳見圖紙部分。跨越鯽江河采用1孔跨拱結構,矢跨比為1/4,拱跨徑為60 m,高度為15 m,拱肋、基座等尺寸見圖1。

圖1 鯽江河渡槽縱斷面布置圖（單位：cm）

2 現澆拱槽施工簡述控制

施工工序：過河基礎施工（河道涵管設置及過河圍堰施工）→施工腳手架支設→鋼筋制作及綁扎、安裝→模架安裝→荷載預壓→澆筑前驗收→ 混凝土澆筑→拆模養護。

2.1 過河基礎施工方案（河道涵管設置與圍堰施工）

因拱槽橫跨鯽江河,為后面腳手架和模板的支設施工,需在河中設一導流涵管,將河中間用土夯實。鯽江河河面寬度約45 m,采取臨時圍堰分段施工。本工程采用連砂石回填夯實、安裝DN2000 鋼筋混凝土排水管過水,連砂石上部澆筑C20鋼筋混凝土（厚度20 cm）,過水迎水面及背水面澆筑C20鋼筋混凝土（厚度20 cm）與上部墊層連為一體,為防止過流對鋼筋混凝土管造成變形位移,將迎水面及背水面混凝土與排水管壁厚范圍布鋼筋澆筑混凝土連為一體,并深入河床高程1 m以下,防止混凝土位移。

2.2 腳手架施工

清表、整平夯實處理完成后,澆筑200 mm厚C20砼作為腳手架墊層,每根直桿下鋪木方,再進行上部排架的搭設,排架材料采用Φ48 mmδ=3.6 mm普通腳手架鋼管。本工程腳手架搭設最高高度24 m,采用滿堂腳手架支設,中間4.8 m為承重腳手架,間距、排距、步距均為0.6 m,兩側為輔助腳手架間距、排距、步距均為1.2 m。滿堂腳手架布設寬度總共為9.6 m；水平剪刀撐及豎向剪刀撐均全斷面布置。豎向剪刀撐從掃地桿開始延伸至工作平臺全斷面布設,橫向豎向剪刀撐全斷面布置,縱向豎向剪刀撐兩側各設一道。水平剪刀撐全斷面布設,設置在掃地桿及腳手架頂部各一道,中間部位不超過8 m設置一道；抗傾覆斜拉,沿腳手架邊緣兩側分別設置抗傾覆斜拉,斜拉基礎采用C15 素混凝土,斜拉混凝土距腳手架邊緣間距10 m,排距10 m；斜道設置在橫向左側,斜坡寬度1.2 m,水平平臺寬度長度為1.2 m×1.2 m,從掃地桿位置開始至槽底工作面設置,斜道坡度為1∶3。

2.3 模板施工

本工程承臺基礎、排架柱、頂梁（橫梁）、槽身等位置采用的組合鋼模板,細部處理、槽身轉角、混凝土輸送預留洞口等采用規格1830 mm×830 mm×18 mm的木模板進行模板支設。

2.4 荷載預壓

為減小拱槽沉陷,拱肋模架施工完成后,按照設計的荷載對拱架進行預壓,采用塔吊將等同于設計荷載的沙袋吊裝至預壓部位,使之達到預壓值。

2.5 混凝土澆筑

本工程主體工程混凝土采用集中拌制,由混凝土拌和系統集中提供。拌和系統的拌和強度為60 m3/h。

3 計算條件

3.1 計算工況

根據《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）[1]要求第3.2.2條：承載能力極限狀態計算時,結構構件計算截面上荷載效應組合見表1。

表1 荷載工況表

3.2 模型建立使用荷載基本參數

根據《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）要求第3.2.2條：承載能力極限狀態計算時,結構構件計算截面上荷載效應組合見表2。

表2 荷載工況表

4 計算結果與分析

采用midas軟件建立渡槽模型進行結構分析,模型見圖2。

圖2 拱渡槽結構模型圖

4.1 工況一計算結果

控制截面驗算表格見表3。

表3 構件控制內力、配筋表

（1）偏心受壓驗算：

在承載能力極限狀態組合（最不利工況）下,拱肋彎矩、對應軸力內力及截面偏心受壓驗算見表4,拱肋偏心受壓承載能力滿足要求。

表4 力與彎矩平衡表

（2）斜截面抗剪驗算：

根據規范《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）,符合KV≤Vc時,可不進行斜截面驗算,僅按照構造配筋即可。

其中最大截面KV=1.15×278=319.7≤Vc=0.7ftbh0=807 kN,通過計算,拱肋截面在基本組合（最不利工況）下斜截面滿足抗剪要求。

通過以上計算,拱肋在基本組合作用（最不利工況）下,截面強度均滿足規范要求。

（3）拱肋裂縫寬度驗算

根據規范《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）7.2.1,當鋼筋混凝土構件滿足7.1.1條抗裂要求時,可不再進行裂縫寬度驗算。

對于偏心受壓構件,在荷載效應標準組合（最不利工況）下,抗裂驗算規定為：

4.2 工況二計算結果

控制截面驗算表格見表5。

表5 構件控制內力、配筋表

4.2.1 偏心受壓驗算

在地震組合下,拱肋彎矩、對應軸力內力及截面偏心受壓驗算見表6,拱肋偏心受壓承載能力滿足要求。

表6 力與彎矩平衡表

4.2.2 斜截面抗剪驗算

根據規范《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008）,符合KV≤Vc時,可不進行斜截面驗算,僅按照構造配筋即可。

其中最大截面KV=1.15×225.3=259.1≤Vc=0.7ftbh0=807 kN,通過計算,拱肋截面在地震組合下斜截面滿足抗剪要求。

通過以上計算,拱肋在地震組合作用下,截面強度均滿足規范要求。

5 結語

采用 MIDAS Civil 受力軟件能夠很好地對渡槽的排架及拱肋進行有限元模擬,有效解決支撐系統因計算不合理導致出現安全隱患及在校核設計方案存在的不足及富裕度問題[2],在經濟方面的優點也較為突出。鯽江河渡槽受力驗算采用以上計算軟件,節省了大量時間,而且施工相對方便,也節省了人力,同時加快了施工進度,確保了施工安全。為同類水電站基礎施工提供了寶貴的借鑒經驗。