武南河立交樞紐關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

張 旭，魏 海，高興和

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.昆山市水務(wù)工程建設(shè)管理處，江蘇 蘇州 215300)

1 工程概況

武南河立交樞紐是武進(jìn)武南片區(qū)防洪除澇及暢流活水閘站建筑物工程中的節(jié)點(diǎn)工程，工程建成后將全面提高武進(jìn)武南片區(qū)防洪排澇能力，改善武進(jìn)武南片區(qū)水環(huán)境，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)。武南河立交樞紐共分為3個(gè)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(yùn)河，將清水輸送至運(yùn)河以東的東涵閘的涵首，后引水至主城區(qū)。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(diǎn)

武南河立交樞紐工程場區(qū)位于武南河與武宜運(yùn)河交叉口處，武宜運(yùn)河為等級(jí)航道，貨運(yùn)船只往來頻繁，施工期不得斷航、阻航。同時(shí)，施工場地周邊分布有高壓鐵塔、跨河水管、高壓燃?xì)夤芫€、電力管線、跨河橋梁等建(構(gòu))筑物，樞紐選址場區(qū)的周邊條件十分復(fù)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(cè)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(tǒng)水利工程按不同功能分區(qū)，并列平鋪的分建方案，顯然無法滿足在有限的場地內(nèi)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(jié)構(gòu)型式。其中武宜運(yùn)河以西的西閘站工程，平面布置上采用3臺(tái)6.7m3/s泵站居中，2孔8m寬翻板門節(jié)制閘分居兩側(cè)的共體結(jié)構(gòu)。出水口連接地涵始發(fā)井；始發(fā)井下部采用2根內(nèi)徑3m預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管下穿武宜運(yùn)河接至武南河側(cè)接收井；東涵閘采用閘上涵下的共體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下部為地涵接收井，上部為單孔凈寬16m底軸驅(qū)動(dòng)翻板節(jié)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(qū)。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(jié)構(gòu)型式，相較于分功能獨(dú)立布置的傳統(tǒng)水利樞紐工程，具備以下顯著特點(diǎn)：

(1)立交疊合設(shè)計(jì)功能互為利用，水力銜接更優(yōu)，結(jié)構(gòu)相互增強(qiáng)。

閘站工程設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)，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(cuò)，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(jí)跌落，更有利于水力銜接。同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，疊合錯(cuò)位設(shè)計(jì)不僅可節(jié)省施工空間，同時(shí)可以使閘泵涵結(jié)構(gòu)互為加強(qiáng)，滿足結(jié)構(gòu)安全需要。

(2)閘泵涵共體，任意組合；控制調(diào)度，靈活多變。

新型共體結(jié)構(gòu)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(jù)閘、泵、涵各自規(guī)模大小及其交叉過流、銜接布置等不同的功能需要，進(jìn)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(jié)構(gòu)，進(jìn)行任意不同孔徑與孔數(shù)的共體組合；在控制調(diào)度上，上部水閘和下部泵室、地涵均可設(shè)置可啟閉控制的閘門，進(jìn)行單控或雙控，一般單控上部水閘或下部泵站，即可實(shí)現(xiàn)平交水流的立交分流與合流功能，如需對(duì)地涵也進(jìn)行控制，也可在共體結(jié)構(gòu)下部地涵設(shè)置閘門控制，實(shí)現(xiàn)雙控，閘泵涵共體控制調(diào)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(guī)水工建筑物水面以上通常設(shè)置主、副廠房，檢修室，啟閉機(jī)室等地面建筑，地面建筑風(fēng)格設(shè)計(jì)的水平通常是決定整個(gè)水利工程風(fēng)貌的關(guān)鍵。新型共體設(shè)計(jì)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(lián)通，形成貫通的泵室空間，流道之上的空間，做成空箱結(jié)構(gòu)，用于布設(shè)閘泵的啟閉控制設(shè)備(啟閉控制室)，實(shí)現(xiàn)上下空間的高效利用。同時(shí)，采用多支鉸處理底軸驅(qū)動(dòng)翻板門控制技術(shù)，單驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，地面移動(dòng)吊裝方案，使樞紐實(shí)現(xiàn)全開敞、高隱蔽和水力造景的特性。其多層錯(cuò)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(yōu)勢明顯。

3 新型共體結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬仿真計(jì)算

武南河立交樞紐采用新型共體式布置方案，閘站結(jié)構(gòu)新穎而復(fù)雜，為準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)體受力狀態(tài)，掌握結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況，確保新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。工程設(shè)計(jì)中采用了在土木工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的大型通用三維有限元計(jì)算軟件，以武南河立交樞紐西閘站共體式結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維數(shù)值仿真分析。

有限單元法(FEM，F(xiàn)inite Element Method)是一種為求解偏微分方程邊值問題近似解的數(shù)值模擬技術(shù)[3]。有限單元法分析過程大體分為以下幾個(gè)步驟：①將研究對(duì)象離散化；②根據(jù)虛功原理，通過單位剛度矩陣建立節(jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移的平衡方程；③通過單元平衡方程，建立整體結(jié)構(gòu)的平衡方程；將單位剛度矩陣轉(zhuǎn)換成整體剛度矩陣，并將作用于每個(gè)單元上的節(jié)點(diǎn)力轉(zhuǎn)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(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位移矢量；⑤由節(jié)點(diǎn)位移矢量計(jì)算單元應(yīng)力。

首先，建立三維實(shí)體模型，為站身鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及地基土層分別選取軟件自帶實(shí)體單元進(jìn)行模擬。地基土層的材料根據(jù)地質(zhì)資料進(jìn)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(jù)D-P屈服準(zhǔn)則定義土體性質(zhì)[4-5]，運(yùn)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(wǎng)格剖分功能對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)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(yáng)壓力荷載；按梯度荷載添加水、土壓力荷載。最后，對(duì)模型進(jìn)行求解計(jì)算，如圖8所示。

圖7 站身網(wǎng)格模型

圖8 站身應(yīng)力云圖

通過對(duì)不同工況下位移和應(yīng)力結(jié)果的分析計(jì)算，得出最大位移和最大拉壓應(yīng)力均發(fā)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(jié)構(gòu)的豎向位移最大值為3.42cm，最小位移值是3.08cm，結(jié)構(gòu)體的絕對(duì)沉降與不均勻沉降均符合規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力值為4.91MPa，最大拉應(yīng)力值為1.96MPa，在邊墩與頂板和底板的連接處等部位會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，實(shí)際工程設(shè)計(jì)中已通過加強(qiáng)局部鋼筋配筋量或增設(shè)貼腳等方法進(jìn)行了處理。

4 新型共體結(jié)構(gòu)水力銜接計(jì)算

工程設(shè)計(jì)中開展了針對(duì)設(shè)計(jì)方案整體水力銜接數(shù)值模擬與優(yōu)化的專題研究，采用目前被廣泛應(yīng)用的商用湍流數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)樞紐進(jìn)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(duì)樞紐引水期不同水位組合對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算[9-10]，分析了多種工況組合下的水流流態(tài)及水力損失。通過優(yōu)化泵裝置、優(yōu)選管徑、改善流態(tài)等措施降低工程能耗，從而達(dá)到減少武南河立交樞紐建設(shè)及運(yùn)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(nèi)容包括：在不同管徑、不同開機(jī)組合條件下，對(duì)泵涵管線整體水力銜接以及泵裝置進(jìn)出水流道、前池等進(jìn)行CFD計(jì)算。得到泵站出水流道與地涵、地涵與出水口等節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)水力銜接斷面，通過分析、比選管道線型對(duì)水流流態(tài)、流速分布及水頭損失等水力學(xué)參數(shù)的影響，獲得泵涵進(jìn)出水整體最優(yōu)水力銜接方案。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出各工況組合下的沿程、局部水力總損失，見表1，并據(jù)此推導(dǎo)出泵裝置最優(yōu)水力性能，從而得到最優(yōu)水泵選型方案，最大限度的降低了建成后水泵后期的運(yùn)行成本。

表1 泵涵全程水力損失計(jì)算匯總表 單位：m

5 推廣應(yīng)用前景

傳統(tǒng)水利工程大都建在城市外圍比較偏遠(yuǎn)的工程場地上，工程用地矛盾較小，限制較少。而隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市外圍防洪排澇體系日漸完善，而城市水網(wǎng)內(nèi)部水生態(tài)、水環(huán)境、水安全等問題日益顯著，廣大人民群眾對(duì)城市水體質(zhì)量提升的需求逐步提高。水利建設(shè)的側(cè)重點(diǎn)逐步向以改善水環(huán)境為目的的城區(qū)河網(wǎng)引調(diào)水工程傾斜。同時(shí)，城區(qū)河網(wǎng)建設(shè)水利工程通常涉及沿線征遷量大、牽涉利益矛盾多、協(xié)調(diào)難度大、用地費(fèi)用高，工程推進(jìn)難度大且不可預(yù)見因素多等難題。所以，傳統(tǒng)的水利工程宏偉、粗獷的布置理念已經(jīng)不適應(yīng)新的城區(qū)水利建設(shè)的新特點(diǎn)、新趨勢。

新型閘泵涵共體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，使不同功能的水利工程實(shí)現(xiàn)融合化、立體化、小型化、集成化。最大限度的使各功能區(qū)之間實(shí)現(xiàn)疊合布置，相互增強(qiáng)，有序銜接，空間聯(lián)通，從而達(dá)到在主城區(qū)水利工程建設(shè)中優(yōu)化空間、減少征地、節(jié)省投資的目的。新型閘泵涵共體結(jié)構(gòu)特別適用于為城區(qū)平原水網(wǎng)交叉水流提供水動(dòng)力的引調(diào)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(shí)，結(jié)構(gòu)型式靈活多變、任意組合，適用范圍廣泛，便于推廣應(yīng)用。

該型結(jié)構(gòu)已在武南河立交樞紐上得到應(yīng)用，為工程減少了移民征地范圍，既節(jié)約了土地資源和工程造價(jià)，又避免了不必要的征遷矛盾。其優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為后續(xù)類似功能的水利樞紐提供了新的設(shè)計(jì)思路和解決方案。

6 結(jié)語

本文提出一種新型閘泵涵共體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，并應(yīng)用于武南河立交樞紐的工程設(shè)計(jì)中，成功解決了在場地條件復(fù)雜、空間狹小的場區(qū)內(nèi)布置多功能水利樞紐工程的難題。并應(yīng)用數(shù)值模擬仿真技術(shù)，對(duì)樞紐采用的共體式新型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、位移、水力銜接等內(nèi)容進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)計(jì)算得出的應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)位移、水力損失等計(jì)算結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。從而達(dá)到了減少工程建設(shè)投資、降低運(yùn)營成本的目的，對(duì)今后類似水利工程的設(shè)計(jì)具有較好的參考價(jià)值。

與此同時(shí)，由于工程施工工期緊、設(shè)計(jì)周期短，本新型結(jié)構(gòu)尚有進(jìn)一步改進(jìn)完善的空間，后期將通過模型試驗(yàn)和在工程實(shí)體中埋設(shè)監(jiān)測設(shè)施等手段，對(duì)新型結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，從而進(jìn)一步優(yōu)化、完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。