南水北調(diào)中線吳洼東溝排水倒虹吸設計

劉正軍 趙國杰 陳 浩

南水北調(diào)中線工程南起湖北省丹江口水庫,北至北京市頤和園的團城湖。其中魯山2段工程范圍為TS229+211—TS239+031,位于河南省平頂山市境內(nèi),渠道上游與魯山1段相接,下游與魯山北段相連,分段設計流量320m3/s,加大流量380m3/s。魯山2段工程沿線共布置3座左岸排水建筑物,均為排水倒虹吸型式。其中吳洼東溝排水倒虹吸位于河南省魯山縣吳洼村南約180m處,交于南水北調(diào)中線總干渠樁號TS233+598.0處。其任務是將洪水從總干渠的左側(cè)安全地泄往右側(cè),確保總干渠安全通過,此外吳洼東溝排水倒虹吸還承擔昭平臺南干渠的退水任務。

1 工程地質(zhì)

場地區(qū)地表為上更新統(tǒng)沖積層(alQ3)覆蓋,下伏基巖為上第三系(N)黏土巖、砂巖、砂礫巖,基巖埋深8.5～15.0m。第四系上更新統(tǒng)(alQ3)自上而下主要由粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、粗砂及粉土質(zhì)礫組成。粉質(zhì)壤土層厚1.5m左右,分布于地表;粉質(zhì)黏土分布穩(wěn)定,厚7.0～15.0m,底板高程118～129m;粗砂層厚1.0m左右,呈透鏡狀分布于粉質(zhì)黏土層下部;粉土質(zhì)礫層厚2～3 m,位于粉質(zhì)黏土層下部。勘探深度內(nèi)基巖主要由黏土巖及砂礫巖組成,局部夾砂巖薄層,黏土巖層厚一般3.5～15.0m,砂礫巖層厚1～4m。管身坐落在粉質(zhì)黏土層上,工程地質(zhì)條件較好,但粉質(zhì)黏土具弱膨脹性,應注意防護。

2 工程總體布置

吳洼東溝工程主要建筑物由進口至出口依次為:上游河溝防護段、進口漸變段、倒虹吸管身段、出口漸變段、下游河溝防護段等,其中上游河溝防護段及進口漸變段統(tǒng)稱上游連接段,下游河溝防護段及出口漸變段統(tǒng)稱下游連接段。建筑物水平投影總長197.090m,其中進出口漸變段采用圓弧擋墻,涵洞進口前不設沉沙池,出口段不設消力池,進、出口均不設閘。

2.1 進口漸變段

進口漸變段長48.10m。吳洼東溝進口溝底高程為134.800m,擬定倒虹吸進口底高程為128.700m,設置一斜坡段來連接河溝與倒虹吸,斜坡段坡比為1∶5,斜坡段長30.50m。進口平坡段長17.60m,底高程為128.700m。兩側(cè)擋土墻采用扶臂式圓弧翼墻,圓弧半徑17.60m,圓弧中心角90°。擋土墻墻頂高程與胸墻齊平,為200年一遇水位加0.4m,擋土墻擋200年一遇水位可以防止進口水流對總干渠堤身的淘刷,同時可以縮短管身長度,從而減小工程量。

2.2 倒虹吸管身段

倒虹吸管身段為2孔3.2m×3.2m箱型C30鋼筋混凝土管,兩孔一聯(lián)共一聯(lián)。倒虹吸管身水平投影長99.390m,由進口斜管段、水平管身段、出口斜管段組成。進口斜管段、出口斜管段位于粉質(zhì)黏土地層上,水平管身段位于砂礫巖上。

倒虹吸各管節(jié)間設沉陷縫,分縫處管壁厚度加厚作為倒虹吸截滲環(huán),并有利于縫間止水施工。沉陷縫采用平接型式,縫內(nèi)設2層橡膠止水帶,內(nèi)填閉孔泡沫塑料板,以適應地基不均勻沉陷及溫度變化引起的管身變形。為了防止穿過河溝的總干渠渠底產(chǎn)生不均勻沉降,在倒虹吸管頂鋪設3層土工格柵。為了滿足在總干渠正常運行條件下有效截斷內(nèi)水外滲滲漏通道,減少水量損失,并防止不滿足輸水要求的外水進入渠道,在倒虹吸管進出口斜坡段填土比較高的適當部位設置4m厚的截滲齒墻。

2.3 出口漸變段

出口漸變段長29.600m。平坡段長12.600m,底高程為127.20m,底板采用厚50cm的C25混凝土護砌,下鋪20cm級配砂礫料和1層土工布。兩側(cè)擋土墻采用懸臂式圓弧翼墻,圓弧半徑12.600m,圓弧中心角90°。擋土墻墻頂高程與胸墻齊平。擋土墻內(nèi)部采用漿砌石護坡,坡度1∶2,下鋪10cm碎石墊層。出口吳洼東溝溝底高程為 128.900m,設置一斜坡段來連接河溝與倒虹吸,斜坡段坡比為1∶6,斜坡段長17.00m。

2.4 河溝防護段

吳洼東溝排水倒虹吸的進出口底部高程較天然河道低。為平順連接水流,根據(jù)天然河道建筑物的橫斷面變化情況,對建筑物附近一定范圍內(nèi)的上下游河道進行削坡、整平、護砌處理,以平順上下游的水流條件。

3 倒虹吸水力計算

水力計算的任務是在初步擬定建筑物縱橫斷面尺寸以及進出口段布置基礎上,以建筑物下游的天然水位流量關(guān)系曲線為基準。通過水力學計算,推出建筑物上游的水位流量關(guān)系曲線,從而得出建筑物的過流能力曲線。倒虹吸過水流量按壓力管道公式計算:

式中 μ——流量系數(shù);

ω——涵洞總斷面積,m2;

ΔZ——上下游水頭差,m。

倒虹吸管過流能力計算結(jié)果見表1。

為了驗證輸水建筑物的過流能力,優(yōu)化輸水建筑物的輪廓尺寸,測定倒虹吸進出口水流沖刷變化規(guī)律,研究其對干渠影響等,對吳洼東溝排水倒虹吸進行了模型試驗。實驗觀測了吳洼東溝排水倒虹吸布置的水流流態(tài),測定了不同泄洪標準條件下吳洼東溝倒虹吸過流能力,測量了進、出口有關(guān)水力要素,包括水面線、流速分布及河床局部沖刷等。

表1 倒虹吸進口斷面過流能力曲線表

試驗觀測了倒虹吸在不同水位下的過流能力,試驗成果見表2。通過試驗可知,在校核流量Q=149m3/s時,倒虹吸上游進口水位為136.32m,下游出口水位為132.60m;在設計流量Q=117 m3/s時,倒虹吸上游進口水位為134.82m,下游出口水位為132.35m,倒虹吸過流能力滿足設計要求。

表2 倒虹吸進口斷面水位與流量關(guān)系試驗結(jié)果表

試驗的水頭差與計算水頭差對比見表3。

表3 各工況下倒虹吸管的流量系數(shù)

從模型試驗結(jié)果可見吳洼東溝試驗過流能力與計算過流能力相近,滿足設計要求,倒虹吸體型設計合理。

4 管身段結(jié)構(gòu)計算

4.1 SAP2000方法結(jié)構(gòu)計算

倒虹吸管身的結(jié)構(gòu)計算采用有限元分析方法,使用SAP2000結(jié)構(gòu)分析程序計算內(nèi)力,沿水流方向截取單位長度的管身進行內(nèi)力有限元分析,按平面問題處理,將結(jié)構(gòu)視為有限彈性地基上的框架,利用文克爾假定進行計算。計算中未計溫度荷載的影響。

根據(jù)倒虹吸的總體布置情況,渠底下斷面(水平管身斷面)和渠堤下斷面(填土最厚處)管身的受力條件差別較大,結(jié)構(gòu)計算時取2個斷面進行計算。倒虹吸管身結(jié)構(gòu)計算荷載組合詳見表4,計算結(jié)果見表5,內(nèi)力簡圖見圖1。

表4 倒虹吸管身結(jié)構(gòu)計算荷載組合表

表5 吳洼東溝排水倒虹吸結(jié)構(gòu)強度驗算荷載、內(nèi)力計算成果表

圖1 荷載及內(nèi)力簡圖

4.2 ANSYS方法結(jié)構(gòu)計算

為了驗證SAP2000方法計算結(jié)果的正確性,并且分析溫度荷載對結(jié)構(gòu)的影響,又采用國際通用大型結(jié)構(gòu)計算軟件ANSYS對涵體結(jié)構(gòu)、基礎進行整體三維有限元計算分析。計算單元采用八結(jié)點三維實體單元、涵洞和基礎間用接觸單元。假定模型沿倒虹吸流水的方向為 x方向,倒虹吸橫斷面方向為y方向,鉛垂向上為z正方向。倒虹吸結(jié)構(gòu)計算模型單元圖見圖2,積分截面號示意圖見圖3。

圖2 倒虹吸結(jié)構(gòu)計算模型單元圖

圖3 積分截面號示意圖

選取填土最厚斜管段的設計Ⅰ、設計Ⅱ,并分為不考慮溫度荷載、內(nèi)低于外3℃,外低于內(nèi)3℃三種情況分別計算,計算結(jié)果見表6。

對比表5與表6,兩種方法計算結(jié)果基本相近,SAP2000計算結(jié)果略大,內(nèi)力趨勢基本相同。對比表6中數(shù)據(jù)得出溫度對彎矩的影響幅度小于10%。鑒于SAP2000是結(jié)構(gòu)分析方面比較成熟和完善的有限元軟件,具有可操作性強、分析結(jié)果可靠、便于設計人員應用等優(yōu)點,加之本設計段內(nèi)小倒虹吸較多,本設計階段對其它倒虹吸均采用SAP2000進行計算,在配筋時考慮溫度應力的影響,將彎矩值加大10%。

5 結(jié) 語

本文首先對吳洼東溝排水倒虹吸的布置做了簡要介紹,然后通過水力計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果的對比,表明所選水力計算方法合理,計算結(jié)果可靠。

表6 各工況內(nèi)力計算結(jié)果表

對管身段的結(jié)構(gòu)計算采用了SAP2000和ANSYS兩種方法,兩種方法計算結(jié)果基本相近,SAP2000計算結(jié)果略大,內(nèi)力趨勢基本相同。本工程溫度對彎矩的影響幅度小于10%。鑒于SAP2000是結(jié)構(gòu)分析方面比較成熟和完善的有限元軟件,具有可操作性強、分析結(jié)果可靠、便于設計人員應用等優(yōu)點,加之本工程段內(nèi)小倒虹吸較多,采用SAP2000進行結(jié)構(gòu)計算,在配筋時考慮溫度應力的影響,將彎矩值加大10%,這樣既可以保證結(jié)構(gòu)安全可靠,也可以提高設計效率。具有一定的代表性,值得類似工程參考。