某輸水工程中自承式拱管跨河設(shè)計研究

肖光輝

(江西省高安市樟碧水庫管理局，江西 高安 330800)

0 引 言

自承式圓弧形拱管跨河是利用輸水鋼管自身支撐跨越河道的一種跨河交叉建筑物設(shè)計型式，具有施工方便，無需進行水下施工(或僅有部分水下施工)，便于后期管理維護檢修等優(yōu)點，但在后期運行中應(yīng)加以防護，以免遭到破壞。某輸水工程主要以水源工程及輸水管道為主，建設(shè)任務(wù)主要以解決城鎮(zhèn)生活與工業(yè)供水，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉的多用途水利工程，工程總線路長65km，水源工程新建小(2)型調(diào)蓄水庫一座，總庫容52萬m3，管道管材為鋼管，自調(diào)蓄水庫出來后采用重力自流輸水，設(shè)計流量5.52m3/s，管徑為2.4-1.2m，輸水線路沿途與河流交叉較多，經(jīng)現(xiàn)場勘查和資料搜集，在初步設(shè)計中為避開生態(tài)紅線和基本農(nóng)田，輸水干線與河流交叉28處，管道交叉處河道寬度多在15-50m，其中過縣城段河道按照20a一遇設(shè)計，50a一遇的校核洪水標準治理，過集鎮(zhèn)、村莊河道按10a一遇設(shè)計洪水標準治理，離下游較遠村莊的山區(qū)河道未治理。本工程管道為4級建筑物，管道與河道交叉建筑物設(shè)計按20a一遇的設(shè)計洪水，50a一遇的校核洪水設(shè)計，因此本輸水管道過縣城段河道交叉建筑物考慮采用自承式拱管跨越形式進行管道跨河交叉段設(shè)計，通過跨河交叉段典型分析，為本次設(shè)計施工提供了方法和思路，并通過典型設(shè)計節(jié)約了時間，提高了工作效率。

1 自承式拱管設(shè)計

1.1 拱管布置

輸水管道在河道過縣城段與河道交叉，根據(jù)現(xiàn)有河道治理資料，河道寬度75m左右，河床沖刷深度1.5m，文章采用自承式圓弧拱管跨河設(shè)計，輸水管此段設(shè)計管徑1.8m，管內(nèi)工作壓力0.9MPa，設(shè)計跨度73.183m，為保證拱管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，矢跨比采用μ=1/8，將管徑在支墩處分開成兩根管徑為1.2m的雙管布設(shè)，中間設(shè)置橫向及縱向聯(lián)系桿，兩端支墩按照單管尺寸確定并合并成整體，支墩基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足防凍及沖刷深度要求，并在架空鋼管頂部設(shè)置自動排氣閥，以防止管道產(chǎn)生顫動而影響管道結(jié)構(gòu)安全。拱管設(shè)計應(yīng)嚴格按照06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管圖集》和CECS214-2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定布置和設(shè)計。自承式拱管設(shè)計平面布置圖及縱剖面圖如圖1、圖2所示。

基本參數(shù)：項目所在地基本風壓ω0為0.35kN/m2，根據(jù)工程區(qū)氣象資料查的，工程區(qū)溫差標準值30°C，不考慮雪荷載的影響。

圖1 自承式圓弧拱管平面布置圖

圖2 自承式圓弧拱管縱剖面布置圖

1.2 基本地質(zhì)情況

河道兩岸地表全為農(nóng)田，巖性為第四系洪積層，厚度>10.5m，上部1.3-5.5m為粉質(zhì)黏土層，下部為淤泥、粉質(zhì)黏土層，局部有黏土、粉砂、砂卵礫石層呈透鏡體狀發(fā)育，局部黏土層較厚，下伏基巖埋深較大，巖性為江底河組下雜色泥巖段(K2j1)紫紅色泥巖夾鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r，沿線無斷裂、褶皺通過，地下水活動豐富，以第四系松散層孔隙水為主，沿線無不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。工程區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，地震動參數(shù)0.15g，屬區(qū)域構(gòu)造次穩(wěn)定區(qū)。

2 自承式拱管受力分析

2.1 基本設(shè)計參數(shù)

自承式圓弧拱管進行受力分析時，只需要對單管進行受力分析，當單管強度滿足要求時，雙管整體受力也滿足要求。受力分析前首先要對拱管基本參數(shù)進行確定，文章結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計、地質(zhì)及水文資料等，確定基本參數(shù)見表1。計算簡圖見圖3。

圖3 計算簡圖

2.2 內(nèi)力計算

2.2.1 荷載計算

作用在輸水鋼管上的荷載主要有鋼管自重、管道內(nèi)外防腐材料重、管道內(nèi)水重、靜水壓力、風荷載以及溫度作用、施工荷載等，計算荷載組合參照CECS214-2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中表5.2.7[1]。各種荷載計算如下：

1)圓拱平面內(nèi)沿拱軸均布的垂直荷載q：

施工荷載qi：qi=D2×2=2.444(kN/m2)；

附屬設(shè)施qt：取qt=0.5(kN/m)。

永久荷載q1：q1=1.2(qs+qt)+1.27qw=18.858(kN/m)；

可變荷載q2：q2=1.4qi=3.422(kN/m)；

垂直荷載q：q=q1+q2=22.279(kN/m)

2)垂直于拱平面沿拱軸均布的均布荷載(風荷載)P：

P=1.4βzμsμzω0Dz

(1)

式中：ω0為基本風壓，取值0.35kN/m2；βz、μs、μz分別為高度z處的風振系數(shù)、風荷載體型系數(shù)和風壓高度變化系數(shù)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》得到參數(shù)值分別為1.0、0.7和1.1。

計算得到均布荷載P=0.461(jN/m)。

3)溫度變化：ΔT=30℃。

表1 自承式圓弧拱管基本參數(shù)表

2.2.2 內(nèi)力計算

輸水鋼管在各種荷載作用下，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力最大，在設(shè)計時要對拱腳產(chǎn)生的內(nèi)力進行計算，主要包括沿拱軸的均布垂直荷載作用、溫度變化、水平均布風荷載和半跨作用均布荷載四個部分，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力，計算時分別進行計算，文章以沿拱軸的均布垂直荷載作用，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力為例進行計算，其余部分荷載產(chǎn)生的內(nèi)力與其計算方法相同，計算公式采用CECS214-2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中計算公式，參數(shù)按照規(guī)程中附錄A-附錄D進行選取[2]。由沿拱軸的均布垂直荷載作用，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

RAg=VAgcosφ+NAgsinφ

(6)

式中：HAg、NAg、VAg、RAg分別為拱腳處的水平推力、軸向力、剪切力和豎向反力，單位為N，正負見表2說明；MAg為拱腳處彎矩值，單位N·mm；KHg、KNg、KVg、KMg為內(nèi)力系數(shù)，取值見《設(shè)計規(guī)范》附錄A-附錄D；其余符號取值見文章表1設(shè)計參數(shù)表。

圖4 沿拱軸的均布垂直荷載作用下內(nèi)力圖

其余荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力計算方法同沿拱軸的均布垂直荷載作用，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力值，計算結(jié)果見表2。

表2 各種荷載作用下拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力值

2.3 強度復核

(7)

式中：σ為管壁截面的最大組合折算應(yīng)力，N/mm2；σθ為管壁截面的環(huán)向拉應(yīng)力，N/mm2；σx為管壁截面的縱向應(yīng)力，N/mm2；τ為管壁截面的剪應(yīng)力，N/mm2；以上各種應(yīng)力計算均按照 CECS214-2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》中計算公式進行計算，文章不再詳述，兩種不利情況下的強度復核結(jié)果見表3。

表3 滿跨和半跨兩種不利情況下強度復核結(jié)果值

經(jīng)計算，兩種工況下自承式拱管強度均滿足設(shè)計要求。

3 穩(wěn)定性驗算

自承式拱管穩(wěn)定性驗算同強度復核一樣，也分為滿跨和半跨兩種不利情況，拱管在豎向和水平荷載組合作用下，對管軸平面外穩(wěn)定性驗算應(yīng)滿足下列要求：

σ0≤f

(8)

式中：σ0為拱管穩(wěn)定性應(yīng)力，N/mm2；f為輸水鋼管的抗彎強度設(shè)計值，為 310N/mm2，公式中參數(shù)取值及計算詳見表4。

表4 自承式拱管穩(wěn)定性驗算結(jié)果表

經(jīng)計算，兩種工況下自承式拱管穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論及建議

新時代下的水利工程已經(jīng)不是簡單的體現(xiàn)它工程價值，而是要考慮它的美學價值以及自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，自承式拱管不僅可以充分利用地形，施工維護簡便，而且有造型美觀， 具有很高的美學價值，達到了工程與自然的和諧統(tǒng)一，體現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益和社會效益[3]。文章結(jié)合結(jié)構(gòu)力學方面的知識，進行大量的內(nèi)力和結(jié)構(gòu)計算，計算結(jié)果可靠、準確，篇幅所限，對自承式拱管結(jié)構(gòu)設(shè)計中矢跨比、管道壁厚、聯(lián)系桿以及支墩設(shè)計等未詳細闡述， 將在今后的文章中重點闡述。