引滦明渠窝头河倒虹吸三维有限元分析

徐 超，靳长亮，陈春宝，张 伟

（天津市引滦工程潮白河管理处，天津 301800）

原引滦明渠窝头河倒虹吸坐落于潮白河管理处管辖范围内桩号10+498处，修建于1982年，承担着宝坻城区污水排泄、汛期沥涝排泄和输水灌溉的任务。窝头河作为宝坻城区的一条排放污沥水的河道，主要承担污水排泄、汛期排沥和输水灌溉的任务，其河水通过窝头河倒虹吸从引滦明渠底部穿过。由于窝头河担负着宝坻区沿河部分农田灌溉任务，河水常被拦蓄抬高，特别是在汛期，窝头河污水水位经常高于明渠水位（窝头河倒虹吸进出口常年的河水位在1.41～2.91 m之间），且宝坻城区常年向窝头河直接排放生活污水。实际运行期间，倒虹吸进出口处垃圾遍布，臭味弥漫，水质为劣Ⅴ类。

2009年，天津市水务局对窝头河倒虹吸进行了改造，延长了倒虹吸涵管，同时借停水期较长的时机对倒虹吸箱涵进行必要的检测及维修，目前看基本上无危害。此次改造工程对该倒虹吸的进出口向外延伸，重建进出口建筑物并对其周边环境进行整治。此次改建的主要目的是使窝头河的污水排放远离引滦明渠，减少径向渗流对引滦明渠的污染，改善引滦明渠两岸的环境[1]。

为保障该倒虹吸的安全运营，本文对其进行了三维有限元分析，查看其应力分布情况，校核结构安全性。

1 结构概况

窝头河倒虹吸改造工程分为上下游两部分：①上游主要包括原有闸室、拦污桥、护砌等项目的拆除以及新建箱涵、闸室等，改造后的倒虹吸进口向上游前移30 m。②下游主要包括原有消力池、护砌等项目的拆除恢复以及新建箱涵等，改造后的倒虹吸出口向下游后移20 m。窝头河倒虹吸改造完成后，进、出口地面与现状地面顺接。

采用2孔一联混凝土结构，过水断面尺寸为宽×高＝2 m×2 m，混凝土强度等级C30，混凝土轴心抗压强度标准值（fck）＝20.1MPa、设计值（fc）＝14.3MPa，混凝土轴心抗拉强度标准值（ftk）＝2.01MPa，弹性模量（Ec）＝3.0×104MPa，泊松比（νc）＝0.167[2]。新旧倒虹吸通过箱涵转弯段连接，其中上游箱涵转弯段横断面如图1所示、平面如图2所示。

2 应力分析原则

转弯段受力较为复杂，因而对其分析即可校核结构的安全状况。

2.1 工况确定

作用在倒虹吸结构上的荷载包括：结构自重，倒虹吸内水的自重和内水压力，倒虹吸顶部覆土和外水压力，倒虹吸侧面土压力和外水压力。根据倒虹吸结构的实际受力情况和工作条件，同时考虑到减少工作量，仅验算双孔全部满槽过水、埋土全被冲走时转弯段的应力情况。这一短暂的工况需要考虑的荷载有：结构自重，倒虹吸内水的自重和满槽内水压力。

2.2 有限元分析模型

由于倒虹吸预应力混凝土结构不允许混凝土开裂，所有材料均处于弹性工作状态，选用有限元弹性数值模型可精确分析其受力状态。考虑地基土和混凝土垫层对结构内力分布的影响，采用有限元软件系统进行混凝土分析时，需要考虑钢筋存在的影响，因而混凝土单元采用均化的钢筋混凝土折算弹性模量，不考虑预应力钢绞线对结构刚度的增强作用，使计算结果稍偏于安全。为简化计算，考虑到倒虹吸管下部地基土对结构内力分布的影响，依据圣维南原理从倒虹吸管底部向下取地下基础厚为5.0 m、从倒虹吸管边墙向外取10.0 m进行模拟[3-6]。三维有限元网格剖分如图3-4所示。

3 应力分析

3.1 横向应力

有限元分析状况如图5所示，可见倒虹吸在极限工况下，倒虹吸转弯段的顶板和竖墙混凝土存在连续分布的拉应力，竖墙根部混凝土拉应力较大，拉应力最大值是1.52MPa，底部全部呈现受压状态。

3.2 纵向应力

有限元分析状况如图6所示，可见倒虹吸在极限工况下，倒虹吸转弯段的顶板、竖墙和底板混凝土沿纵向存在连续分布的压应力区，仅在竖墙底部外侧存在零星分布的拉应力点，而且拉应力均较小，其最大值是1.15 MPa。

3.3 竖向应力

有限元分析状况如图7所示，可见倒虹吸在极限工况下，倒虹吸转弯段的顶板、竖墙和底板混凝土沿纵向存在连续分布的压应力区，仅在竖墙底部外侧沿纵向有一拉应力带，而且拉应力值较小，其最大值是1.69 MPa。

4 结论

根据现行规范[2]，倒虹吸长期处于地下和水下环境，环境条件为二类，按照受弯构件进行计算，作用（荷载）效应组合下，结构受拉边缘混凝土的允许拉应力限制系数（αct）为0.85，即：

式中：σc为作用（荷载）效应组合下验算边缘的混凝土法向拉应力；ftk为混凝土的轴心抗拉强度标准值；γ为截面抵抗矩塑性系数，取γ=1.55。

结构混凝土截面边缘纤维混凝土的拉应力（σc）≤2.65 MPa。倒虹吸上游转弯段在极限工况下部分部位出现的最大横向、纵向和竖向拉应力分别是 1.52、1.15和 1.69 MPa，均小于2.65 MPa，因而不会出现混凝土开裂。从有限元分析结果来看，该转弯段在极限工况下是安全的，不会出现混凝土开裂。

[1]赵桂军.引滦明渠周边水环境浅析 [J].中国科技纵横，2010（19）：132.

[2]水利部.水工混凝土结构设计规范 （SL191-2008）[M].北京：中国水利电力出版社，2008.

[3]裴松伟，李晓芬，李晓克，等.安阳河预应力混凝土倒虹吸结构计算分析[J].中原工学院学报，2007（4）：56-59.

[4]裴松伟，姚贤华，赵顺波.大型预应力混凝土倒虹吸结构设计[J].山西建筑，2007（29）：364-365.

[5]滑令，郄志红，王智勇，等.大型预应力箱型倒虹吸的三维有限元分析[J].水科学与工程技术，2006（2）：26-28.

[6]孙明权，马海霞，杨书统.基于ANSYS的倒虹吸有限元分析[J].黑龙江水专学报，2008（1）：8-11.