南水北调中线吴洼东沟排水倒虹吸设计

刘正军 赵国杰 陈 浩

南水北调中线工程南起湖北省丹江口水库,北至北京市颐和园的团城湖。其中鲁山2段工程范围为TS229+211—TS239+031,位于河南省平顶山市境内,渠道上游与鲁山1段相接,下游与鲁山北段相连,分段设计流量320m3/s,加大流量380m3/s。鲁山2段工程沿线共布置3座左岸排水建筑物,均为排水倒虹吸型式。其中吴洼东沟排水倒虹吸位于河南省鲁山县吴洼村南约180m处,交于南水北调中线总干渠桩号TS233+598.0处。其任务是将洪水从总干渠的左侧安全地泄往右侧,确保总干渠安全通过,此外吴洼东沟排水倒虹吸还承担昭平台南干渠的退水任务。

1 工程地质

场地区地表为上更新统冲积层(alQ3)覆盖,下伏基岩为上第三系(N)黏土岩、砂岩、砂砾岩,基岩埋深8.5～15.0m。第四系上更新统(alQ3)自上而下主要由粉质壤土、粉质黏土、粗砂及粉土质砾组成。粉质壤土层厚1.5m左右,分布于地表;粉质黏土分布稳定,厚7.0～15.0m,底板高程118～129m;粗砂层厚1.0m左右,呈透镜状分布于粉质黏土层下部;粉土质砾层厚2～3 m,位于粉质黏土层下部。勘探深度内基岩主要由黏土岩及砂砾岩组成,局部夹砂岩薄层,黏土岩层厚一般3.5～15.0m,砂砾岩层厚1～4m。管身坐落在粉质黏土层上,工程地质条件较好,但粉质黏土具弱膨胀性,应注意防护。

2 工程总体布置

吴洼东沟工程主要建筑物由进口至出口依次为:上游河沟防护段、进口渐变段、倒虹吸管身段、出口渐变段、下游河沟防护段等,其中上游河沟防护段及进口渐变段统称上游连接段,下游河沟防护段及出口渐变段统称下游连接段。建筑物水平投影总长197.090m,其中进出口渐变段采用圆弧挡墙,涵洞进口前不设沉沙池,出口段不设消力池,进、出口均不设闸。

2.1 进口渐变段

进口渐变段长48.10m。吴洼东沟进口沟底高程为134.800m,拟定倒虹吸进口底高程为128.700m,设置一斜坡段来连接河沟与倒虹吸,斜坡段坡比为1∶5,斜坡段长30.50m。进口平坡段长17.60m,底高程为128.700m。两侧挡土墙采用扶臂式圆弧翼墙,圆弧半径17.60m,圆弧中心角90°。挡土墙墙顶高程与胸墙齐平,为200年一遇水位加0.4m,挡土墙挡200年一遇水位可以防止进口水流对总干渠堤身的淘刷,同时可以缩短管身长度,从而减小工程量。

2.2 倒虹吸管身段

倒虹吸管身段为2孔3.2m×3.2m箱型C30钢筋混凝土管,两孔一联共一联。倒虹吸管身水平投影长99.390m,由进口斜管段、水平管身段、出口斜管段组成。进口斜管段、出口斜管段位于粉质黏土地层上,水平管身段位于砂砾岩上。

倒虹吸各管节间设沉陷缝,分缝处管壁厚度加厚作为倒虹吸截渗环,并有利于缝间止水施工。沉陷缝采用平接型式,缝内设2层橡胶止水带,内填闭孔泡沫塑料板,以适应地基不均匀沉陷及温度变化引起的管身变形。为了防止穿过河沟的总干渠渠底产生不均匀沉降,在倒虹吸管顶铺设3层土工格栅。为了满足在总干渠正常运行条件下有效截断内水外渗渗漏通道,减少水量损失,并防止不满足输水要求的外水进入渠道,在倒虹吸管进出口斜坡段填土比较高的适当部位设置4m厚的截渗齿墙。

2.3 出口渐变段

出口渐变段长29.600m。平坡段长12.600m,底高程为127.20m,底板采用厚50cm的C25混凝土护砌,下铺20cm级配砂砾料和1层土工布。两侧挡土墙采用悬臂式圆弧翼墙,圆弧半径12.600m,圆弧中心角90°。挡土墙墙顶高程与胸墙齐平。挡土墙内部采用浆砌石护坡,坡度1∶2,下铺10cm碎石垫层。出口吴洼东沟沟底高程为 128.900m,设置一斜坡段来连接河沟与倒虹吸,斜坡段坡比为1∶6,斜坡段长17.00m。

2.4 河沟防护段

吴洼东沟排水倒虹吸的进出口底部高程较天然河道低。为平顺连接水流,根据天然河道建筑物的横断面变化情况,对建筑物附近一定范围内的上下游河道进行削坡、整平、护砌处理,以平顺上下游的水流条件。

3 倒虹吸水力计算

水力计算的任务是在初步拟定建筑物纵横断面尺寸以及进出口段布置基础上,以建筑物下游的天然水位流量关系曲线为基准。通过水力学计算,推出建筑物上游的水位流量关系曲线,从而得出建筑物的过流能力曲线。倒虹吸过水流量按压力管道公式计算:

式中 μ——流量系数;

ω——涵洞总断面积,m2;

ΔZ——上下游水头差,m。

倒虹吸管过流能力计算结果见表1。

为了验证输水建筑物的过流能力,优化输水建筑物的轮廓尺寸,测定倒虹吸进出口水流冲刷变化规律,研究其对干渠影响等,对吴洼东沟排水倒虹吸进行了模型试验。实验观测了吴洼东沟排水倒虹吸布置的水流流态,测定了不同泄洪标准条件下吴洼东沟倒虹吸过流能力,测量了进、出口有关水力要素,包括水面线、流速分布及河床局部冲刷等。

表1 倒虹吸进口断面过流能力曲线表

试验观测了倒虹吸在不同水位下的过流能力,试验成果见表2。通过试验可知,在校核流量Q=149m3/s时,倒虹吸上游进口水位为136.32m,下游出口水位为132.60m;在设计流量Q=117 m3/s时,倒虹吸上游进口水位为134.82m,下游出口水位为132.35m,倒虹吸过流能力满足设计要求。

表2 倒虹吸进口断面水位与流量关系试验结果表

试验的水头差与计算水头差对比见表3。

表3 各工况下倒虹吸管的流量系数

从模型试验结果可见吴洼东沟试验过流能力与计算过流能力相近,满足设计要求,倒虹吸体型设计合理。

4 管身段结构计算

4.1 SAP2000方法结构计算

倒虹吸管身的结构计算采用有限元分析方法,使用SAP2000结构分析程序计算内力,沿水流方向截取单位长度的管身进行内力有限元分析,按平面问题处理,将结构视为有限弹性地基上的框架,利用文克尔假定进行计算。计算中未计温度荷载的影响。

根据倒虹吸的总体布置情况,渠底下断面(水平管身断面)和渠堤下断面(填土最厚处)管身的受力条件差别较大,结构计算时取2个断面进行计算。倒虹吸管身结构计算荷载组合详见表4,计算结果见表5,内力简图见图1。

表4 倒虹吸管身结构计算荷载组合表

表5 吴洼东沟排水倒虹吸结构强度验算荷载、内力计算成果表

图1 荷载及内力简图

4.2 ANSYS方法结构计算

为了验证SAP2000方法计算结果的正确性,并且分析温度荷载对结构的影响,又采用国际通用大型结构计算软件ANSYS对涵体结构、基础进行整体三维有限元计算分析。计算单元采用八结点三维实体单元、涵洞和基础间用接触单元。假定模型沿倒虹吸流水的方向为 x方向,倒虹吸横断面方向为y方向,铅垂向上为z正方向。倒虹吸结构计算模型单元图见图2,积分截面号示意图见图3。

图2 倒虹吸结构计算模型单元图

图3 积分截面号示意图

选取填土最厚斜管段的设计Ⅰ、设计Ⅱ,并分为不考虑温度荷载、内低于外3℃,外低于内3℃三种情况分别计算,计算结果见表6。

对比表5与表6,两种方法计算结果基本相近,SAP2000计算结果略大,内力趋势基本相同。对比表6中数据得出温度对弯矩的影响幅度小于10%。鉴于SAP2000是结构分析方面比较成熟和完善的有限元软件,具有可操作性强、分析结果可靠、便于设计人员应用等优点,加之本设计段内小倒虹吸较多,本设计阶段对其它倒虹吸均采用SAP2000进行计算,在配筋时考虑温度应力的影响,将弯矩值加大10%。

5 结 语

本文首先对吴洼东沟排水倒虹吸的布置做了简要介绍,然后通过水力计算结果与模型试验结果的对比,表明所选水力计算方法合理,计算结果可靠。

表6 各工况内力计算结果表

对管身段的结构计算采用了SAP2000和ANSYS两种方法,两种方法计算结果基本相近,SAP2000计算结果略大,内力趋势基本相同。本工程温度对弯矩的影响幅度小于10%。鉴于SAP2000是结构分析方面比较成熟和完善的有限元软件,具有可操作性强、分析结果可靠、便于设计人员应用等优点,加之本工程段内小倒虹吸较多,采用SAP2000进行结构计算,在配筋时考虑温度应力的影响,将弯矩值加大10%,这样既可以保证结构安全可靠,也可以提高设计效率。具有一定的代表性,值得类似工程参考。