地下水位对弹性地基上箱涵内力计算的影响

□赵 斌

地下水位对弹性地基上箱涵内力计算的影响

□赵 斌

目前，土基上箱涵内力的计算主要有反力直线分布法和弹性地基梁法，大、中型箱涵设计一般采用弹性地基梁法。对于很多箱涵，外水压力是结构所受的主要荷载之一。工程区地下水位受到自然条件及人为因素的影响，变化情况较为复杂，设计中取用不同的地下水位可能会得到不同的计算结果。此文结合南水北调中线一期工程七里河渠道倒虹吸的工程实例，选取代表性工况对倒虹吸内力进行计算、比较，分析地下水位对倒虹吸内力的影响，对大型箱涵结构设计具有一定的借鉴意义。

1.工程概况

七里河倒虹吸是南水北调中线一期工程总干渠穿越七里河的大型河渠交叉建筑物，全长865m。倒虹吸上游设退水闸、排冰闸，进口设检修闸、渐变段，出口设渐变段、节制闸，组成了以倒虹吸为主体的枢纽工程。

倒虹吸管身段包括进口斜管段、水平段、出口斜管段，每19～20m设一道横向变形缝。管身段为三孔一联的钢筋混凝土箱形结构，过水断面尺寸6.5m× 6.5m，斜管段、河床内段管顶板厚1. 3m，中隔墙厚1.2m，边墙厚1.3m，底板厚1.3m；堤下管段管顶板厚1.4m，中隔墙厚1.2m，边墙厚1.4m，底板厚1.4m。

2.计算方法

倒虹吸管横向结构按弹性地基上的框架进行分析，取河堤处单宽管节作为研究对象，将顶板、底板、立墙简化为杆件，内力采用水工结构有限元分析系统计算。

基本计算参数如下：黏性土回填料内摩擦角φ=20°（统计最大值为30.3°），天然容重γ=19.5kN/m3，浮容重γ’= 10kN/m3；砂卵石地基变形模量30MPa；倒虹吸管顶板顶高程75.4m；河堤顶高程83.1m；勘测地下水位75.4m；倒虹吸管承受的荷载主要包括自重、竖直土压力、侧向土压力、内水压力、外水压力、车辆荷载等。

3.成果分析

以施工完建、管内无水工况为例，列出堤下管节计算成果。

当倒虹吸管外地下水位位于管底以下（简称低地下水位）时，计算中不考虑外水压力；当管外地下水位与管顶齐平（简称高地下水位）时，两侧外水压力按三角形分布荷载考虑，管底外水压力按均布荷载考虑。两种情况按荷载标准值计算的倒虹吸弯矩图见图1。

通过对比可以看出，管外无外水作用时比有外水作用时倒虹吸底板弯矩绝对值大15%～20%左右。这两种情况倒虹吸上部荷载相同，两侧土压力及水压力的综合作用效果也基本一致，为什么底板内力会有这样差别呢？这与弹性地基的特点有关。

图1 倒虹吸管（单宽）弯矩图（KN·m）

当按地基反力直线分布法进行箱涵内力计算时，地基反力及外水压力均呈直线分布，作用于箱涵底面的总荷载也为直线分布，其数值与上部荷载平衡。在上部荷载相对稳定的情况下，箱涵底面的总荷载（方向向上）也基本不变，其中地基反力及外水压力所占的比例对箱涵弯矩影响不大。因此，当地下水位低于顶板覆土高程时，地下水位的变化对作用于箱涵顶面及底面的总分布荷载影响不大，对弯矩计算值影响也较小。

弹性地基梁法认为梁和地基都是弹性体，可依据变形协调和静力平衡条件确定地基反力和梁的内力，地基反力在垂直水流方向按曲线分布，即弹性分布。当按弹性地基上的框架进行箱涵内力计算时，地基反力不是直线分布，在上部荷载相对稳定的情况下，箱涵底面的总荷载（方向向上）中地基反力及外水压力所占的比例对箱涵弯矩有一定的影响。若箱涵外部没有外水作用，其底板与弹性地基变形协调，整个框架内力值反映出弹性地基的特点。若箱涵外部有外水作用，即箱涵底面有均布荷载时，框架内力值的弹性地基特性将被削弱。均布荷载在箱涵底面的总荷载中所占比例越大，总荷载越趋向直线分布，框架内力值的这种弹性地基特性就越不明显。

可见，作用于倒虹吸底板的均布荷载削弱了弹性地基特性，这是管外无外水作用时比有外水作用时倒虹吸底板弯矩绝对值大的原因。

4.结语

分析不难看出，外水压力对弹性地基上箱涵内力是有一定影响的。在地下水位变动较大的地区，低水位比高水位的工况可能对结构更不利。因此，本人建议：对于弹性地基上箱涵的结构设计，当外水水位不是很明朗时，应充分考虑水位变化幅度，选取较不利工况进行分析，保证结构安全。□

2014-06-12

陈金霞，女，汉族，河北省水利物资供应站，助理工程师。

收稿日期:2014-05-14

作者简介:赵斌，男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，高级工程师。