地下水位变化对箱型倒虹吸结构影响的分析

杨 锋

水利工程所处环境复杂，边界条件多变，在进行结构设计过程中，受诸多条件限制，需要选定几种控制性的边界条件进行分析，如何选好控制性边界条件是决定工程成败的关键。本文以南水北调中线一期工程总干渠南沙河倒虹吸工程为例，重点分析了地下水位变化对倒虹吸管结构应力的影响，供类似工程参考。

1. 工程概况

南水北调中线一期工程南沙河倒虹吸工程位于河北省沙河市高店村东北2km处的南沙河上，工程由南段倒虹吸、中间明渠、北段倒虹吸组成，全长4335m，倒虹吸为1级建筑物，设计流量 230m3/s，加大流量 250m3/s，防洪标准为100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。建筑物区在勘探深度范围内揭露地层全部为第四系，卵石含水层厚度约10m，顶板裸露于地表，平均渗透系数为 6.4×10-2cm/s，属强透水性，其下部为弱透水地层，地下水位高于倒虹吸管顶面，地下水位变幅1.9～7.5m。

倒虹吸管身为预应力混凝土箱型结构，倒虹吸管为3孔一联，单孔过水断面尺寸6.6×6.5m，底板、顶板及边墙厚度均为1.0m，中墙厚度为0.8m，混凝土强度等级C40，采用横向和竖向双向预应力，预应力筋采用1860级钢绞线。

2. 计算方案

倒虹吸工程所处河段地下水位变幅较大，为分析地下水位变化对倒虹吸管结构的影响，拟定最高地下水位和最低地下水位两种方案进行对比分析，每种方案均包含倒虹吸完建、正常输水、倒虹吸中孔、边孔检修、洪水冲刷管顶土等5种计算工况。

3. 计算方法

3.1 荷载计算

倒虹吸结构应力分析主要荷载有结构自重、管顶土重、侧向土压力、内外水压力，荷载计算按照《水工建筑物荷载设计规范》的规定计算，此外，还考虑温度和边荷载的作用。

3.2 内力及应力计算

倒虹吸管预应力结构为弹性地基上的框架，采用单元有限元方法计算，将地基反力用弹性连杆模拟，利用软件进行分析。结构计算采用常规的位移法进行，即先形成单元刚度矩阵，经坐标转换后形成总刚度矩阵，形成荷载右端项，求解结构位移列阵，据此得到节点位移、单元内力以及支撑反力。在此基础上考虑施工阶段，采用增量理论，逐步推进，逐步累计，获得最终结构效应。

抗裂验算按《水工混凝土结构设计规范》有关规定控制。截面抗裂验算：

本工程倒虹吸处于有侵蚀性地下水的地下环境，属三类环境类别，按严格不出现裂缝的构件控制。在荷载效应的短期组合下，σcs-σpc≤0。 截面抗裂验算：混凝土主拉应力 σtp≤0.85ftk，混凝土主压应力 σcp≤0.60ftk。

受篇幅限制，本文将计算成果从略。

4. 成果分析

4.1 倒虹吸正常输水工况

对比分析最高地下水位和最低地下水位两种情况，应力变化趋势相同，低地下水位的应力状况较差。两种情况下出现拉应力的部位均为倒虹吸边墙底部，低水位情况拉应力略小，其他部位的压应力略小于高水位情况，低水位结构受力状况略好一些。

4.2 管顶土被洪水冲至管顶工况

低地下水位方案除立墙外，顶板和底板均出现拉应力，高地下水位方案倒虹吸结构全断面受压，此计算工况下外水位升高有利。由此可知，随着管外侧荷载的减少，结构变得更加不利，此时，影响结构受力的主要因素是管内的内水压力。

4.3 倒虹吸孔检修和完建工况

倒虹吸两边孔检修的计算成果是，高地下水位时，顶板和中墙均为压应力，边墙和底板均出现拉应力；低地下水位时，底板和中墙均为压应力，边墙拉应力略低，顶板出现拉应力。

倒虹吸中孔检修的计算成果是，高地下水位时，顶板和底板均为压应力，边墙和中墙均出现拉应力；低地下水位时，底板为压应力，顶板出现拉应力，边墙拉应力略低，中墙拉应力增大。

完建工况计算成果是，高地下水位时，仅中墙为全断面受压，其余构件均出现拉应力；低地下水位时，中墙压应力降低，边墙和底板拉应力得到改善，顶板拉应力增大。

根据倒虹吸管两边孔检修、中孔检修和完建3种工况的计算成果分析，随着倒虹吸管外地下水位出现较大幅度变化，其对管身各构件的影响出现无规律的变化。

5. 结论

通过以上分析计算，可以看出地下水位的变化对倒虹吸应力的影响较为复杂，当河道地下水位由最高水位变为最低水位时，倒虹吸管身的底板、边墙、底板和中墙等构件的应力状况呈现无规律的变化。因此，在对倒虹吸管进行应力验算时，不能片面认为管道外侧作用取值大或小有利，应针对结构中不同构件，选取不同的荷载组合进行分析。

另外，本文仅以地下水位变化来分析其对倒虹吸结构的影响，实际上影响结构分析的外界条件还有很多，故在进行结构分析时，应根据结构受力的实际情况，综合分析其受力的特点，对影响结构的各种因素进行细致的分析，将对结构产生不利或有利的因素加以区别对待，合理拟定边界条件，进而保证工程安全。