河道中停车平台建设对河底供水管道的影响性分析

吴金德

(新宾满族自治县水务局， 辽宁 抚顺　113200)



河道中停车平台建设对河底供水管道的影响性分析

吴金德

(新宾满族自治县水务局， 辽宁 抚顺113200)

本文利用有限元软件，对沈阳市南运河河道底部的供水管道及周边结构进行了三维仿真模拟，针对河道左岸停车平台的建设对管道受力及位移情况的影响进行了研究分析。结果表明：河道左岸停车平台的建设会导致河底管道沉降增大21.5mm，管道的大主应力达到927.47kPa，属于小变形、小应力的状态。因此，对河底供水管道的受力情况影响较小。

管道； 沉降； 应力； 有限元

1　引　言

伴随着中国经济及科技水平的提高，工程建设也得到了长足的发展。尤其在城市建设方面，由于地面空间的局限性，导致很多工程开始向河道中拓展。然而河流作为城市中天然的贯穿网络，往往在河底布置了诸多供水、排水管网，这些后期工程的建设，势必会对河底这些现存的结构物产生一定的影响[1-2]。国内外学者针对这一问题开展了大量的研究，证明后期工程所带来影响的大小与具体的工程结构形式、受力特点、空间位置等因素有密切关系[3-8]。因此，有必要针对具体的工程问题开展有针对性的的研究分析。

2　工程概况

该研究基于沈阳市南运河河道水生态治理可研项目0+100～0+500标段，项目区位于穿越沈阳市区的南运河中部位置，该河流自东向西贯穿整个城区，在万泉公园段河道底部2.5m的位置，顺着河流流向布置了一条供水管道。现由于城市规划建设的需要，要在河道左岸建设一宽约5m的停车平台，停车平台采用现浇钢筋混凝土结构。河道中停车平台的设计断面如图1所示，其中左右岸为河道中已建的浆砌石挡土墙，底部圆管为供水管道，管径1.8m，管壁厚0.5m，左侧框架结构为新建停车平台，河道底部宽15m，常年水深3m。

图1　河道典型设计断面

3　计算模型及边界条件设置

3.1计算模型

为与原挡土墙结构相吻合，新建停车平台每隔15m设置一分缝，因此为了计算方便，选取一个长为15m的典型河段进行计算分析，该河段停车平台的底部每隔3.3m设置了2个800mm×800mm的立柱，共设置5排，所有立柱均支撑在800mm厚的钢筋混凝土底板上。

由于河底高程变化较小，模拟分析过程中，为了简化计算，本文假定河底高程保持不变，根据结构设计图，采用有限元软件建立该河段三维计算模型如图2～图3所示。

图2　整体三维模型

图3　停车平台框架模型

3.2材料参数

根据地质勘测资料，该部分地质情况从上到下大致分为3层，第一层厚约1.5m，第二层厚约7m，第三层厚约1.5m，挡土墙后采用粉质黏土回填。框架结构为C30钢筋混凝土材料，挡土墙为浆砌石材料，河道护底采用格栅石笼型式。数值计算中，为了能够得到准确的计算结果，土体材料采用摩尔-库伦模型，浆砌石、钢筋混凝土及钢管材料采用线弹性模型，各种材料的参数选取如下表所示。

计算主要材料参数表

3.3边界条件设置

计算时在模型的周边需要设置约束及外部荷载等边界条件，在该模型的四个侧面分别施加垂直侧面的固定约束，在模型的底部施加竖直方向的固定约束。在正常运用过程中，除了结构本身的自重外，还有水压力、汽车荷载等外部荷载的作用。因此，根据实际情况，在框架底板、挡墙临水侧以及护底顶面均定义了静水压力；在框架结构的顶部施加10kN/m2的均布活荷载，每个柱的顶部施加280kN的集中荷载，荷载施加情况如图4所示。

图4　边界条件施加情况

计算过程中，充分考虑整个工程的建设过程，分四个步骤进行：第一步计算浆砌石挡土墙建设后管道的受力及位移情况；第二步计算停车平台施工后管道的受力及位移情况；第三部计算河道过水后管道的受力及位移情况，第四步计算停车平台投入使用后管道的受力及位移情况。

4　计算结果讨论分析

4.1沉降分析

通过数值计算，可以得到不同阶段河道中整体的竖向位移云图如图5所示，由图中数据分析可知，在第一阶段管道沉降位移为3.7mm，第二阶段管道的沉降位移为10.8mm，第三阶段管道的沉降位移为20.0mm，第四阶段管道的沉降位移为25.2mm。由此可知，管道的沉降位移主要发生在河道过水及停车平台投入使用之后，沉降增值为9.2mm。由于河道左右岸的挡土墙为前期河道治理时设计，已经施工完成并投入使用数年，因此在分析后期停车平台对管道的影响时应扣除第一阶段前期挡土墙的影响，所以河道中管道在施工平台建设运行后增加的沉降值为21.5mm。单从位移角度分析，该段河道中管线总长15m，平均单宽米的沉降值为1.43mm，对整根管道而言属于小变形情况，即使发生差异沉降，也不会影响管线的正常运用。

图5　不同阶段管道沉降位移 (单位：m)

4.2应力分析

通过数值计算，可以得到不同阶段河道中管道的大主应力云图如图6所示，由图中数据分析可知，在第一阶段管道大主应力最大值为47.39kPa，第二阶段管道大主应力最大值为143.00kPa，第三阶段管道大主应力最大值为547.78kPa，第四阶段管道大主应力最大值为927.47kPa。由此可知，管道的大主应力最大值主要发生在河道过水及停车平台投入使用之后。在整个工程完成并进入运行情况时，管道的大主应力最大值远小于钢材的抗拉强度极值，因此，从应力角度而言，停车平台的建设对管道应力方面的影响不大。

图6　不同阶段管道大主应力 (单位：kPa)

5　结　论

河道中工程项目的建设，势必会对河道以及河底的现存结构带来一定影响。本文以河道底部的供水管道为研究对象，采用三维数值模拟的方法，针对河道左岸停车平台的建设对管道受力及位移情况的影响进行了研究分析。结果表明：在河道左岸停车平台施工完成投入运行后，河底管道沉降增大值为21.5mm，单宽米的沉降量为1.43mm，属于小变形情况；同时，管道的大主应力最大值为927.47kPa，并未达到钢材的抗拉强度极限值。因此，河道左岸停车平台的建设对河底供水管道的受力情况影响较小，建设中无需采取保护性的工程措施。

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Analysis on the influence of parking platform construction in riverway for river bottom water supply pipeline

WU Jinde

(Xinbin Manchu Autonomous County Water Authority, Fushun 113200, China)

In the paper, finite element software is utilized for 3D virtual simulation on water supply pipeline and surrounding structure at the bottom of the Shenyang South Canal. The influence of river left bank parking platform construction on pipeline stress and displacement condition is studied and analyzed. The results show that river bottom pipeline settlement is increased by 21.5mm, the pipeline major stress reaches 927.47kPa due to the construction of river left bank parking platform. It belongs to small deformation and small stress state, thereby the construction has less influence on stress condition of river bottom power supply pipeline.

pipeline; settlement; stress; finite element

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.08.008

TV672

A

1005- 4774(2016)08- 0029- 04