榆林市王圪堵水库输水工程沙界沟桥倒设计分析

刘 源

(陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001)

王圪堵水库坝址位于榆林市横山县城关镇西北12km、榆靖高速公路无定河大桥以上 2.5 km无定河干流上。王圪堵水库枢纽由大坝、放水洞及电站厂房、泄洪排沙洞(兼导流洞)溢洪道组成。榆横煤化学工业区地处榆阳区和横山县境内,属于无定河流域,位于水库下游北部,距水库坝址约27 km。鱼米绥盐化学工业区位于榆阳区鱼河镇、米脂县和绥德县境内,沿无定河带状分布,距王圪堵水库坝址约 40～50 km。榆横工业园区水厂位于横山县波罗镇和白界乡交界处,是陕西省重要的煤化学工业园区之一。供水工程水源为园区重要的水源工程—王圪堵水库库水。在建的王圪堵水库工程位于无定河中游,输水管线北线沿无定河左岸折向东北向,穿越硬地梁河、沙界沟、二石磕沟(清河)、沙河沟后,到达水厂,管线全长约 28.47 km。王圪堵水库输水工程是王圪堵水库的配套工程,输水工程主要由取水口、输水管线、加压泵站、过沟建筑物等组成。穿越沙界沟输水管线拟采用桥式倒虹。

1 设计依据

沙界沟桥倒为管线跨越沙界沟的过沟建筑物,总跨度约160m。该段河道呈 U形,谷底宽度约 88m,右岸岸坡高度约39m,天然坡度约 41°,左岸岸坡高度约 29 m,天然坡度约55°。河床段表层分布河道冲积细砂(Q42al),松散,厚度约7.2～8.8m,下部为侏罗系安定组互层状砂岩、泥岩,强风化厚度 1.5～2.0 m。河床段表层冲积细砂层标贯平均击数(N63.5)为 12.0击,干密度 1.55 g/cm3,相对密度 Dr=0.25,呈松散 ～稍密状,建议承载力特征值为 fak=120 Kpa;下伏弱风化基岩桩的极限端阻力标准值为3 000 kPa,设计值1 500 kPa。

2 桥倒设计

2.1 桥倒尺寸

经优化设计沙界沟桥倒工程跨度 113 m。输水管道内径1.4m,壁厚16mm,采用 Q 345压力钢管,桥倒方案拟采用单跨为 16m和13m的 C25钢筋砼 π梁式结构,拟定 π梁高1.3m,总宽度 4.9m,梁肋宽 0.5 m的简支结构。下部支撑排架拟定 C25钢筋砼单排架支承,根据工地实际情况拟定排架最高16m,拟定排架立柱横断面 800mm×600mm,排架立柱间设置横梁,横梁竖向间距拟定 2.9m,拟定横梁横断面尺寸 400mm×600mm,排架下部 C 20钢筋砼承台基础拟定长×宽 ×高尺寸为5000 mm×2 500mm×1 500 mm。

2.2 基础设计

计算钢筋混凝土重度取 25 kn/m3,钢材重度取 78.5 kN/m3,水重度取10kN/m3,人群荷载取3 kN/m2,尺寸单位若无特别说明均以 mm计。

a钢管自重 每跨16m管自重 =3.14×1.4×0.016×16×78.5 kN/m3=88.34 kN

b管道内水重 每跨 16m水重 =3.14×0.72×16×10=

24 6.17 kN

c支墩自重 拟定管座支墩尺寸长 500×宽 400×高 200,支墩间隔6m。

=0.5×0.4×0.2×25×4=4 kN

d人群荷载每跨 16m人群荷载 =3×2.5×16=120 kN(两侧人行道各宽 1m、1.5m)

eπ梁自重每跨16mπ梁自重 =1.8 636×16×25=745.44 kN

f作用在 π梁和管道上风压力

风压力 =风荷载强度W(kN/m2)×受风面积

风荷载强度 W=βZμSμZμtW0

W0为基本风压值(kN/m2),当有可靠风速资料时,按W0=υ20/1 600计算,υ0为当地空旷平坦地面离地10m高处统计所得 30年一遇10m in平均最大风速(m/s),根据资料取 υ0=25.7 m/s,W0=0.413;μt为地形地理条件系数,取0.8;μZ为风压高度变化系数,取 1.2;μS为风载体型系数,取 1.4;μZ风振系数,根据下表取值。

T1(S)0.25 0.5 1.0 1.5 2.0 3.5 5βZ 1.25 1.40 1.45 1.48 1.50 1.55 1.60

T1为支承排架自振周期

式中:H为槽身重心至地面高度(m),取 15.5m;M为搁置于排架顶部的槽身质量(空槽情况)或槽身及槽中水体的总质量(kg),管自重 +水重 +支墩自重 +π梁自重 =88.34 kN+246.17 kN+4 kN+745.44 kN=108 396 kg;E为排架材料的弹性模量(N/m2),2.55×1010N/m2;J为排架横截面惯性矩(m4),0.0144 m4;A为排架横截面面积(m2),0.48 m2;ρ排架材料密度(kg/m3),25 000/9.8=2 551.02 kg/m3

H M E J AρT1 15.5 108 396 25 500 000 000 0.0 144 0.48 2 551.02 3.883757

根据计算结果取风振系数 βZ=1.57

风荷载强度计算

W 0 μs μz μt βz W 0.413 1.4 1.2 0.8 1.57 0.87

风压力 =风荷载强度 W(kN/m2)×受风面积 =0.87×2.5×16=34.8 kN

g作用在排架上风压力

?

根据计算结果取风振系数 βZ=1.45

风荷载强度计算

W 0 μs μz μt βz W 0.413 1.4 1 0.8 1.45 0.67

风压力 =风荷载强度 W(kN/m2)×受风面积 =0.67×13.2×0.8/13.2=0.536 kN/m

h排架自重 (0.8×0.6×(15.2×2+6.8)+0.6×0.4×1.6×4)×25=484.8 kN

i承台基础自重 5×2.5×1.5×25=468.75 kN

根据地质资料沙界沟河床漫滩细砂建议地基承载力为120 kpa,参考已建成工程经验并结合本工程实际情况拟采用底部增加C 20桩基础,拟定桩基础直径 1.2m,端承桩端部伸入强风化下限不小于 1倍桩径,桩最大长度 23 m,最小长度7m,根据《工程地质勘察报告》资料强风化以下端阻力取1 500 kN/m2。

选取工程最不利情况进行计算,上部排架高16m,桩基础长度 7m。

根据地质资料单根桩基础端部承载力为 3.14×0.62×1 500=1 695.6 kN

采用两根桩基础,承载力为1 695.6×2=3 391.2 kN

竖向合力 A:(kN)

管自重 水重 支墩 人群 π梁 排架 基础 桩自重 合计88.34 246.176 6 120 684.8 484.8 468.75 395.64 2494.51

2.3 梁设计

π梁受力情况:

均布力:人群荷载 +π梁自重=7.5+46.59=54.09 kN/m集中力:钢管自重 +管道内水重 +支墩重 =(88.34+246.17+6)kN/2=170.25 kN

计算得单跨 16mπ梁纵向最大弯矩设计值 M=2 582.17×1.2=3 098.6 kNm

单跨13mπ梁纵向最大弯矩设计值 M=1 728×1.2=2 073.6 kNm

π梁配筋计算:(单跨 13m)

简化为肋宽1 000的 T型截面梁,参考 T型截面梁配筋进行计算。

钢筋混凝土梁在二类环境受拉筋为双排钢筋情况下

取 b′f=2 920mm

鉴别 T型梁所属情况:

所以属于第一种情况的 T型梁(x≤h′f),按照宽度为2 920mm的矩形梁计算

rdM fc b′f h0 as2 073.6 12.5 2 920 1 230 0.03 755

fc E b′f h0 fy As(mm2)12.5 0.038 2832 920 1 230 310 5544.24

π梁配筋计算:(单跨 16m)

fc E b′f h0 fy As(mm2)12.5 0.057 779 2 920 1 230 310 8367.7

2.4 排架设计

排架受力情况:

管自重 水重 支墩 人群 π梁 合计88.34 246.176 6 120 684.8 1 145.32

集中力:上部结构合力(管自重+水重 +支墩 +人群 +π梁)排架自重:2.9m立柱自重=0.6×0.8×2.9×25=34.8 kN

作用在 π梁和管道上风压力 =34.8 kN

均布力:2.2 m横梁自重 =0.4×0.6×2.2×25/2.2=6 kN/m

计算得排架立柱承受荷载底部最大轴力设计值:

N=924.46×1.2=1 109.35 kN

底部最大弯矩设计值:M=153.61×1.2=184.33 kNm

排架立柱钢筋计算:

立柱横截面尺寸 b×h=800×600,横梁横截面尺寸 400×600,计算长度 l0=l=16 m

l0/h=16 000/600=26.67＞8,需要考虑纵向弯曲影响

计算 η值:

e0=故按照实际偏心距 e0=166.16mm计算

判断大小偏心

ηe0=2.51×166.16=417.06 mm＞0.3 h0=0.3×560=168mm

故按照大偏心计算

计算 ξ值

计算 As(A′s)值

3 结语

根据以上计算结果得出,根据沙界沟沟形地质等条件,本工程设计桩基础承载力满足上部结构荷载的要求,沙界沟桥倒结构设计可行,满足管线整体布置过沟要求,降低倒虹吸压力水头,增加输水管道安全性,降低因场地狭小给施工造成的难度,临时占地少运行管理和检修维护方便,对地貌扰动小,利于水土保持和环境保护;对于π梁单跨长度 13m,纵向受拉钢筋选配 20Ф22,总计钢筋面积7602mm2;对于 π梁单跨长度 16m,纵向受拉钢筋选配 20Ф25,总计钢筋面积9 818mm2;对于排架立柱,竖直向内外侧受拉受压钢筋 As、A′s各选配 6Ф25,总计钢筋面积 As=A′s=2 945mm2。

[1]SL191-2008.水工钢筋砼结构设计规范.

[2]DL5077-1997.水工建筑物荷载设计规范.

[3]GB 50007-2002.建筑地基基础设计规范.

[4]竺慧珠,陈德亮,管枫年.渡槽.中国水利水电出版社.2004.

[5]周景星,王洪瑾,虞石民,李广信.基础工程.清华大学出版社.2000.