祭城干渠倒虹吸極限工況設(shè)計(jì)模式應(yīng)用分析

楊碩

(鄭州市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450006)

0 引言

祭城干渠穿越賈魯河倒虹吸位于姚店堤北公路橋旁，賈魯河樁號(hào)40+388處，倒虹吸建于20世紀(jì)70年代，全長(zhǎng)90.00 m，倒虹吸進(jìn)口、出口均位于賈魯河灘地內(nèi)，嚴(yán)重影響河道行洪安全。同時(shí)閘房、閘門及啟閉機(jī)老化導(dǎo)致工程無法正常使用。在該倒虹吸工程重建過程中應(yīng)用了極限工況設(shè)計(jì)模式，現(xiàn)結(jié)合工程實(shí)例加以分析研究。

1 工程布置

祭城干渠重建倒虹吸，位于鄭州市金水區(qū)姚店堤村北，賈魯河樁號(hào)40+388處。倒虹吸軸線與河道中心軸線夾角∠83.280，工程總長(zhǎng)為318.00 m，為溝埋式鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，由進(jìn)口連接段、進(jìn)口閘室段，箱涵段，出口閘室段、出口連接段等5部分組成。上游水位86.00 m、下游水位85.75 m，上游渠底高程84.50 m、下游渠底高程84.25 m，設(shè)計(jì)流量8.96 m3/s。

2 過水流量計(jì)算

倒虹吸水力計(jì)算公式:

(1)

(2)

(3)

(4)

C=R1/6/n

(5)

式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)中：Q—過水流量(m3)；ω—過水?dāng)嗝?m2)；z—進(jìn)出口水位差(m)；μ—流量系數(shù)；ζf—沿程阻力系數(shù)；∑ζJ—局部阻力系數(shù)之和；L—管道全長(zhǎng)(m);DB—管內(nèi)徑，取2.00 m；λ—沿程損失系數(shù)；v—管內(nèi)平均流速；C—謝才系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，倒虹吸過水流量為9.00 m3/s，滿足祭城干渠穿賈魯河倒虹吸設(shè)計(jì)流量8.96 m3/s要求。

3 荷載計(jì)算(單位長(zhǎng)1 m)

《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50288-2018)第10.4.2條規(guī)定，根據(jù)各種荷載實(shí)際上同時(shí)出現(xiàn)的可能性，埋管管身計(jì)算共采用5種荷載組合，計(jì)算過程繁瑣，倒虹吸設(shè)計(jì)采用極限工況，即將實(shí)際工況進(jìn)行放大。工況1：河道無水，管周無水，渠道設(shè)計(jì)水位；工況2：渠道無水，河道百年校核水位(最大外水壓力)，計(jì)算過程中不再考慮混凝土收縮影響和溫度影響。

3.1 箱涵自重計(jì)算

荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.05，下標(biāo)K代表荷載標(biāo)準(zhǔn)值;底板重量設(shè)計(jì)值g1=1.05g1K=13.13 KN/m；頂板重量設(shè)計(jì)值g2=1.05g2K=13.13KN/m；豎墻重量設(shè)計(jì)值g3=1.05g3K=32.82 KN/m；墊層重量設(shè)計(jì)值g4=1.05g4K=2.63 KN/m。

3.2 土壓力與外水壓力計(jì)算

3.2.1 倒虹吸垂直土壓力與外水壓力

倒虹吸管頂部垂直土壓力計(jì)算公式：

Pz=γsz(KN/m2)

(6)

式(6)中：γs—填土容重(KN/m3)，在地下水位以下部分采用浮容重；z—管頂以上填土高度(m)。

倒虹吸管頂部垂直外水壓力計(jì)算公式：

Pzw=γwHW(KN/m2)

(7)

式(7)中：HW—管頂以上水頭高度(m)；γw—水容重，取10 KN/m3。

倒虹吸管頂垂直土壓力和外水壓力計(jì)算見表1。

表1 垂直土壓力及垂直外水壓力計(jì)算表

3.2.2 倒虹吸管水平土壓力與外水壓力

倒虹吸兩側(cè)水平土壓力計(jì)算公式：

Ph=γsz1ka(KN/m2)

(8)

式(8)中：γs—填土容重(KN/m3)，在地下水位以下部分采用浮容重；z1—填土頂面至計(jì)算截面的高度(m)；ka—主動(dòng)土壓力系數(shù),ka=tan2(45°-φ/2)。

倒虹吸兩側(cè)水平外水壓力計(jì)算公式：

Phw=γwH1(KN/m2)

(9)

式(9)中：Phw—計(jì)算截面處的水平外水壓力(KN/m2)；H1—水頭頂面至計(jì)算截面的高度(m)。

倒虹吸側(cè)水平土壓力與外水壓力計(jì)算見表2。

表2 側(cè)水平土壓力與水平外水壓力計(jì)算表

3.3 河槽下倒虹吸內(nèi)水壓力計(jì)算

倒虹吸內(nèi)水壓力Pwi為梯形分布。河槽下倒虹吸上表面內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值：Pw1=1.05Pw1k=93.45(KN/m2)；河槽下倒虹吸下表面內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值：Pw2=1.05Pw2k=114.45(KN/m2)。

3.4 河槽下倒虹吸浮托力計(jì)算

河槽校核水位時(shí)浮托力標(biāo)準(zhǔn)值：U浮k=γmHw=115.10(KN/m2)；校核水位時(shí)浮托力設(shè)計(jì)值：U浮4=0.95γwHw=109.35(KN/m2)。

3.5 地基反力計(jì)算

地基反力按照直線分布進(jìn)行計(jì)算見表3。

表3 地基反力計(jì)算表

4 內(nèi)力計(jì)算

結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算采用清華大學(xué)《結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器》，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 內(nèi)力計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

5 配筋計(jì)算

倒虹吸鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算采用《水利水電工程設(shè)計(jì)計(jì)算程序集》V4.1中的程序G-17C進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 倒虹吸管身結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算成果表

6 地基承載力驗(yàn)算

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)3.22條規(guī)定，水工建筑物在進(jìn)穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)取荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行。

(10)

式(10)中:∑G—作用在基礎(chǔ)上的全部豎向荷載(KN)；A—基底面面積(m2)。

經(jīng)計(jì)算：P=115.71 kPa<該土層地基承載力容許值 [fa0]=120 kPa。

7 斜管段抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265-2001)7.3.6條抗滑穩(wěn)定公式驗(yàn)算穩(wěn)定

(11)

式(11)中：Kc—沿箱涵基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G—作用在箱涵上的垂直于基礎(chǔ)底面的全部豎向荷載(KN)；∑H—作用在箱涵上的平行于基礎(chǔ)底面全部水平向荷載(KN)；f—閘室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.35。

經(jīng)計(jì)算：Kc=2.66>[Kc]=1.2。

[Kc]—土基上閘室基底面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值,所以，斜管段滿足抗滑要求。

8 抗浮驗(yàn)算

因?yàn)榇┲骱硬鄄糠窒浜喜扛餐磷钌伲赃x其作為抗浮驗(yàn)算對(duì)象，選取100a洪水位時(shí)的工作狀況。對(duì)于該段—箱涵來說，當(dāng)100a水位時(shí)，箱涵內(nèi)無水為最不利工況。

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)3.2.2條規(guī)定，水工建筑物在進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)取荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行。

(12)

式(12)中：Kf—抗浮安全系數(shù)；∑G抗浮力—作用在箱涵上的抗浮力(KN)；Fw作用在箱涵上浮托力(KN)。

經(jīng)計(jì)算：Kf=1.42>1,故箱涵抗浮驗(yàn)算滿足要求。

9 結(jié)語(yǔ)

祭城干渠倒虹吸是賈魯河綜合治理工程的重要組成部分，工程的順利完成至關(guān)重要。文章介紹了祭城干渠倒虹吸工程實(shí)例的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，尤其是在計(jì)算時(shí)選取了極限計(jì)算工況，不僅簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，而且保證了工程的安全性，為類似工程實(shí)踐提供一些參考。