前海總干渠穿提河涵洞結構計算分析

方海霞

（喀什第三師勘測設計研究院有限責任公司，新疆喀什844000）

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前海總干渠穿提河涵洞結構計算分析

方海霞

（喀什第三師勘測設計研究院有限責任公司，新疆喀什844000）

摘要：穿河涵洞是渠道工程中常用的連接方式，其結構及參數設計合理性直接影響到涵洞結構穩定性及過流能力。文章以新疆第三師前海總干渠16 +470穿提河涵洞設計為例，計算分析了斷面合理尺寸設計與結構，并通過電算程序計算涵洞各控制截面內力與結構鋼筋及砼選擇，希望對相關渠涵工程設計有所借鑒。

關鍵詞：涵洞；斷面設計；結構計算

1　工程概況

新疆第三師前海總干渠上起葉河中游渠首，下至小海子水庫南閘，全長184km，途經莎車縣、麥蓋提縣、巴楚縣，是連通中游渠首和農三師小海子應急調水渠的關鍵性骨干工程。前海總干渠0 +000 -17 +880段設計流量70m3/s，加大流量80.5m3/ s。前海總干渠在16 +470處與提孜那甫河144 + 800處交叉，此處距離提河末級渠首漢克爾渠首僅200m，該處的河堤頂高程為1193m，河面寬約160m，堤寬7m，兼做交通道路；河槽底高程為1188.7m，河槽底高于前海總干渠設計水位1.3m，故前海總干渠與提河交叉建筑物形式選擇渠涵。

2　涵洞水力計算

本涵位于輸水干渠上，洞內水流一般采用無壓明流，屬渠涵。根據該處提河地形圖測繪及涵洞平面布置，本涵洞穿提河總長190m，擬取洞身縱坡1 /900，地基采用碎石樁處理，解決液化問題［1］。根據前海總干渠縱橫斷面設計，設計過涵洞上下游渠道底寬均為25m，邊坡1∶2，設計水深2.28m，加大水深2.45m。洞身為混凝土管，糙率取0.014。

2.1 洞身斷面尺寸計算

擬設4孔涵洞，單孔凈寬為4m，則假定總洞寬B為16m，單孔涵洞的過流量為17.5m3/s，加大流量為20.125m3/s。本涵以加大流量驗算涵洞過流斷面，以利于涵洞過流，減小洞內水頭損失。采用洞內水深h =2.084m（略小于上下游渠道水深），則過流面積A為8.328m2。

假定涵洞單寬b =4m條件下，滿足單孔過流20.125m3/s，則4孔總計過加大流量超過80.5m3/ s。同理算得該涵洞過設計流量70 m3/s，對應的洞內設計水深為1.88m。本涵設計最大水深2.084m，本涵設計洞凈高取2.5m［2-5］。本涵設計4孔，且過流較大，形式采用雙聯式，每聯間設沉降縫，縫寬設2cm。設計頂板厚d2=0.55m，底板厚d1= 0.7m，邊側墻厚d3=0.45m，中隔墻厚d4=0.4m，縫側墻厚d5=0.4m，加腋尺寸為0.3m。

2.2 無壓涵洞凈空校核

矩形涵洞凈空面積應超過洞身橫斷面面積的10%～30%，以此作為評價標準進行校核。工程設計涵洞最高水深為2.084m，洞高2.5m，則凈空面積占洞身橫斷面面積的16.64%，則本涵斷面尺寸滿足無壓涵的凈空要求。

2.3 涵洞消能防沖設計

渠涵由于其上下游水位差及洞身流速均較小，一般不設消能設施，所以本工程不做消能防沖設計。

3　涵洞結構計算分析

3.1 載荷計算

結構設計先按承載能力極限狀態設計結構構件，然后再按正常使用極限狀態進行校核。分別對兩種工況時的底板、頂板及側墻跨中（間）最大彎矩截面及加腋起點等控制截面進行計算。

（1）承載能力極限狀態載荷計算

按洞身橫剖面結構布置，各部位控制截面內力計算成果如表1。

表1　承載能力極限狀態內力計算結果

（2）正常使用極限狀態載荷計算正常使用極限狀態內力計算結果如表2。

表2　正常使用極限狀態內力計算結果

3.2 底板鋼筋混凝土結構計算

從表1可知，承載能力極限狀態底板跨間最大彎矩值為243.64KN.m，軸向力為112.78KN，底板厚700mm。環境類別按三類環境考慮，混凝土保護層厚度c取30mm，鋼筋直徑d預選16mm，則a 為38mm，有效計算高度h0 =662mm，計算單寬b = 1000mm；砼采用C25，鋼筋采用II級鋼。根據彎矩設計值及軸向力設計值計算軸向力對截面重心的偏心距為e0=M/N=2.160m。

因＞0.3h0，屬大偏心受壓構件。經計算底板受拉區鋼筋面積為1293mm2，計算配筋率為0.195%；受壓區鋼筋面積為993mm2，計算配筋率為0.15%。

按正常使用極限狀態選配鋼筋。受拉區和受壓區鋼筋均選φ16@100，As=As＇=2011mm2，配筋率為0.304%，分布鋼筋選擇φ10@200。

3.3 其他鋼筋混凝土結構計算

參照上述方法，計算得到頂板鋼筋混凝土受拉區和受壓區鋼筋均選φ14 @ 100，As=As＇= 1539mm2，分布鋼筋選擇φ10@200。邊側墻、中隔墻和縫側墻均為偏心受壓構件，所受彎矩、剪力及軸向力遠小于底板和頂板，則邊側墻、中隔墻和縫側墻內外側鋼筋均選擇φ14@158，As=926mm2。

4　地基承載力計算

16 +470處地層處地層巖性主要為細（粉）砂，局部地段上部為低液限粉土，層底埋深為地面以下0.0～2.5m，層厚0.0～2.5m；下部為細（粉）砂。經擊實試驗判定，河槽底以下7m厚土層為液化土。而涵洞的跨徑均較小，因此可不進行沉降計算，只需驗算地基承載力即可［6-8］。工程區域地基土承載力基本容許值為110KPa，對地基進行了碎石振沖處理后，復合地基土承載力為160KPa。由承載能力極限狀態荷載計算可知，不計底板自重的基底最大應力為190.99KPa，計入底板自重后，基底應力為148.76KPa，地基承載力滿足要求。

5　結語

涵洞設計合理性對渠涵性能有著顯著的影響，通過詳細的計算能夠精確地確定涵洞結構及相關參數。16 +470穿提河涵洞設計基于涵洞過流能力，對涵洞斷面尺寸及形態進行計算，確定合理的涵洞結構形式，并通過結構應力計算選出各分部鋼筋混凝土結構。工程實踐表明，16 +470穿提河涵洞運行良好，運行期間涵洞結構沉降變形與結構變形均在允許范圍內，并且涵洞的過流能力良好，滿足灌區總干渠的通行要求。

參考文獻

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作者簡介：方海霞（1977年—），女，高級工程師。

收稿日期：2015-05-04

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.026

中圖分類號：TV672

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0071-03