武南河立交樞紐關鍵技術研究與應用

張 旭，魏 海，高興和

(1.江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.昆山市水務工程建設管理處，江蘇 蘇州 215300)

1 工程概況

武南河立交樞紐是武進武南片區防洪除澇及暢流活水閘站建筑物工程中的節點工程，工程建成后將全面提高武進武南片區防洪排澇能力，改善武進武南片區水環境，推進生態文明建設。武南河立交樞紐共分為3個部分，即西閘站工程、立交地涵工程及東涵閘工程。樞紐的功能主要是利用西閘站自滆湖引水，通過西沉井[1]連接立交地涵，采用頂管工法[2]下穿武宜運河，將清水輸送至運河以東的東涵閘的涵首，后引水至主城區。工程引水期間工作原理斷面如圖1所示。

圖1 樞紐引水期間工作原理斷面示意圖

2 樞紐布置與功能特點

武南河立交樞紐工程場區位于武南河與武宜運河交叉口處，武宜運河為等級航道，貨運船只往來頻繁，施工期不得斷航、阻航。同時，施工場地周邊分布有高壓鐵塔、跨河水管、高壓燃氣管線、電力管線、跨河橋梁等建(構)筑物，樞紐選址場區的周邊條件十分復雜，布置空間特別狹小。而樞紐功能包括了引水泵站、東西兩側各一座擋水水閘、輸水涵管、工作沉井等多種型式、多種功能的水工建筑物，若采取傳統水利工程按不同功能分區，并列平鋪的分建方案，顯然無法滿足在有限的場地內布置下如此多種水工建筑物的要求。

因此，武南河立交樞紐采用新型閘泵涵共體結構型式。其中武宜運河以西的西閘站工程，平面布置上采用3臺6.7m3/s泵站居中，2孔8m寬翻板門節制閘分居兩側的共體結構。出水口連接地涵始發井；始發井下部采用2根內徑3m預應力鋼筒混凝土管下穿武宜運河接至武南河側接收井；東涵閘采用閘上涵下的共體結構設計，下部為地涵接收井，上部為單孔凈寬16m底軸驅動翻板節制閘，下部接收井即地涵出水口，引滆湖清水至武南河后送入主城區。樞紐引水平面示意如圖2所示。

圖2 引水期間樞紐平面示意圖

武南河立交樞紐總體布置采用閘、泵、涵互為融合共體的新型結構型式，相較于分功能獨立布置的傳統水利樞紐工程，具備以下顯著特點：

(1)立交疊合設計功能互為利用，水力銜接更優，結構相互增強。

閘站工程設計時充分考慮水閘、泵站和地涵在垂直方向上具有上下疊合的特點，水閘閘室位于上部，泵站泵室位于中部，地涵頂管位于下部，形成閘泵涵一體的多功能組合型水工建筑物。水閘閘室與泵室，平面上互間互錯，立面上閘上泵下相互疊合，立體空間互為利用，地涵涵首直接連接泵站流道，深埋于平交河床之下，水流分級跌落，更有利于水力銜接。同時在結構設計上，疊合錯位設計不僅可節省施工空間，同時可以使閘泵涵結構互為加強，滿足結構安全需要。

(2)閘泵涵共體，任意組合；控制調度，靈活多變。

新型共體結構下部布置泵室、地涵涵首，上部布置水閘閘首。除武南河立交樞紐的布置方式外，還可根據閘、泵、涵各自規模大小及其交叉過流、銜接布置等不同的功能需要，進行靈活多變的組合。即水閘、泵室、地涵均可按單孔、雙孔、三孔甚至多孔結構，進行任意不同孔徑與孔數的共體組合；在控制調度上，上部水閘和下部泵室、地涵均可設置可啟閉控制的閘門，進行單控或雙控，一般單控上部水閘或下部泵站，即可實現平交水流的立交分流與合流功能，如需對地涵也進行控制，也可在共體結構下部地涵設置閘門控制，實現雙控，閘泵涵共體控制調度隨著組合不同而靈活多變，如圖3—6所示。

圖3 閘泵組合型式一(武南河立交采用型式)

圖4 閘泵組合型式二

圖5 閘泵組合型式三

圖6 閘泵組合型式四

(3)樞紐主體全部位于地下，地上無高聳建筑物遮擋，水上通視，易于與周邊景觀銜接。

常規水工建筑物水面以上通常設置主、副廠房，檢修室，啟閉機室等地面建筑，地面建筑風格設計的水平通常是決定整個水利工程風貌的關鍵。新型共體設計使閘泵疊合布置，既有利于高程上與引水涵管的銜接，也充分利用了空間。其中下部空間可將閘底板之下空間聯通，形成貫通的泵室空間，流道之上的空間，做成空箱結構，用于布設閘泵的啟閉控制設備(啟閉控制室)，實現上下空間的高效利用。同時，采用多支鉸處理底軸驅動翻板門控制技術，單驅動控制系統，地面移動吊裝方案，使樞紐實現全開敞、高隱蔽和水力造景的特性。其多層錯落疊合布局，閘泵涵及其控制室均處于地下，地上場地開闊，視野無遮攔，水工建筑新穎，水利功能齊備，組合優勢明顯。

3 新型共體結構數值模擬仿真計算

武南河立交樞紐采用新型共體式布置方案，閘站結構新穎而復雜，為準確反映結構體受力狀態，掌握結構應力應變情況，確保新型結構穩定安全。工程設計中采用了在土木工程設計領域應用廣泛的大型通用三維有限元計算軟件，以武南河立交樞紐西閘站共體式結構作為研究對象，對結構進行三維數值仿真分析。

有限單元法(FEM，Finite Element Method)是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數值模擬技術[3]。有限單元法分析過程大體分為以下幾個步驟：①將研究對象離散化；②根據虛功原理，通過單位剛度矩陣建立節點力與節點位移的平衡方程；③通過單元平衡方程，建立整體結構的平衡方程；將單位剛度矩陣轉換成整體剛度矩陣，并將作用于每個單元上的節點力轉換成總的荷載列陣，從而得到整體平衡方程：[K]{δ}=[R]；④引入幾何邊界條件，計算未知節點位移矢量；⑤由節點位移矢量計算單元應力。

首先，建立三維實體模型，為站身鋼筋混凝土結構及地基土層分別選取軟件自帶實體單元進行模擬。地基土層的材料根據地質資料進行定義，其中地基土選擇彈塑性地基模型來模擬(Drucker-Prager模型根據D-P屈服準則定義土體性質[4-5]，運用胡克定律求解彈性變形，塑性理論求解塑性變形，疊加求得總變形量)，最后利用軟件自帶的網格剖分功能對實體模型進行網格劃分[6-8]，如圖7所示，定義模型的邊界條件和初始條件(重力場)。分別按均布荷載添加邊荷載、揚壓力荷載；按梯度荷載添加水、土壓力荷載。最后，對模型進行求解計算，如圖8所示。

圖7 站身網格模型

圖8 站身應力云圖

通過對不同工況下位移和應力結果的分析計算，得出最大位移和最大拉壓應力均發生在完建期工況，位移變化以豎向位移為主，在完建期工況結構的豎向位移最大值為3.42cm，最小位移值是3.08cm，結構體的絕對沉降與不均勻沉降均符合規范要求。結構最大壓應力值為4.91MPa，最大拉應力值為1.96MPa，在邊墩與頂板和底板的連接處等部位會出現應力集中現象，實際工程設計中已通過加強局部鋼筋配筋量或增設貼腳等方法進行了處理。

4 新型共體結構水力銜接計算

工程設計中開展了針對設計方案整體水力銜接數值模擬與優化的專題研究，采用目前被廣泛應用的商用湍流數值計算軟件對樞紐進水前池、泵站站身、立交地涵等部位建立三維模型(如圖9所示)，并對樞紐引水期不同水位組合對應的工況進行數值模擬計算[9-10]，分析了多種工況組合下的水流流態及水力損失。通過優化泵裝置、優選管徑、改善流態等措施降低工程能耗，從而達到減少武南河立交樞紐建設及運營成本的目的。

圖9 水力模型及流場分布云圖

研究的主要內容包括：在不同管徑、不同開機組合條件下，對泵涵管線整體水力銜接以及泵裝置進出水流道、前池等進行CFD計算。得到泵站出水流道與地涵、地涵與出水口等節點的最優水力銜接斷面，通過分析、比選管道線型對水流流態、流速分布及水頭損失等水力學參數的影響，獲得泵涵進出水整體最優水力銜接方案。

根據計算結果得出各工況組合下的沿程、局部水力總損失，見表1，并據此推導出泵裝置最優水力性能，從而得到最優水泵選型方案，最大限度的降低了建成后水泵后期的運行成本。

表1 泵涵全程水力損失計算匯總表 單位：m

5 推廣應用前景

傳統水利工程大都建在城市外圍比較偏遠的工程場地上，工程用地矛盾較小，限制較少。而隨著國民經濟的發展，城市外圍防洪排澇體系日漸完善，而城市水網內部水生態、水環境、水安全等問題日益顯著，廣大人民群眾對城市水體質量提升的需求逐步提高。水利建設的側重點逐步向以改善水環境為目的的城區河網引調水工程傾斜。同時，城區河網建設水利工程通常涉及沿線征遷量大、牽涉利益矛盾多、協調難度大、用地費用高，工程推進難度大且不可預見因素多等難題。所以，傳統的水利工程宏偉、粗獷的布置理念已經不適應新的城區水利建設的新特點、新趨勢。

新型閘泵涵共體結構設計理念，使不同功能的水利工程實現融合化、立體化、小型化、集成化。最大限度的使各功能區之間實現疊合布置，相互增強，有序銜接，空間聯通，從而達到在主城區水利工程建設中優化空間、減少征地、節省投資的目的。新型閘泵涵共體結構特別適用于為城區平原水網交叉水流提供水動力的引調水工程，從小型閘泵涵到大型引水立交樞紐均具有廣泛的適用性。同時，結構型式靈活多變、任意組合，適用范圍廣泛，便于推廣應用。

該型結構已在武南河立交樞紐上得到應用，為工程減少了移民征地范圍，既節約了土地資源和工程造價，又避免了不必要的征遷矛盾。其優異的結構特點，為后續類似功能的水利樞紐提供了新的設計思路和解決方案。

6 結語

本文提出一種新型閘泵涵共體結構設計思路，并應用于武南河立交樞紐的工程設計中，成功解決了在場地條件復雜、空間狹小的場區內布置多功能水利樞紐工程的難題。并應用數值模擬仿真技術，對樞紐采用的共體式新型結構的結構應力、應變、位移、水力銜接等內容進行了數值模擬分析，根據計算得出的應力分布、結構位移、水力損失等計算結果，對結構進行了優化設計。從而達到了減少工程建設投資、降低運營成本的目的，對今后類似水利工程的設計具有較好的參考價值。

與此同時，由于工程施工工期緊、設計周期短，本新型結構尚有進一步改進完善的空間，后期將通過模型試驗和在工程實體中埋設監測設施等手段，對新型結構的理論計算成果進行對比驗證，從而進一步優化、完善結構設計。