鄂北水资源配置工程2016年11标暗涵结构优化设计

李会波 于 茂 常 峻 丁靖波

1 工程概况

2016年11标段是鄂北水资源配置工程中的一段关键性工程，位于广水市，标段总长度16.705km（桩号217+150—233+855），包括明渠、隧洞、暗涵、渡槽、倒虹吸、水闸以及排洪建筑物、水系恢复等工程。

暗涵采用C25混凝土箱涵型式，设计流量为7.4m3/s，设计纵坡1∶9600，采用单孔，孔宽3.8m，暗涵建筑物级别为3级，环境类别2类，设计洪水标准采用30年一遇，校核洪水标准采用100年一遇。本工程涉及的暗涵共0.99km，暗涵基本特征表见表1。

表1 暗涵基本特征表

2 地质条件

叶家湾暗涵和余店（团结村）暗涵涵基坐落于震旦-青白口系岔河组（Z2c）强风化-弱风化钠长片岩，纳长片岩承载力特征值为550～2800kPa。

回龙寺暗涵和双河村暗涵涵基坐落在震旦-青白口系随县群垸子湾组（（Qn-Z1）y）强-微风化绢云纳长片岩上，其承载力特征值为450～2600kPa。

南冲湾暗涵涵基分别座落在第四系全新统冲积堆积（Q4al）黏土层和震旦-青白口系随县群垸子湾组（（Qn-Z1）y）强风化绢云纳长片岩上，黏土承载力特征值为230kPa，绢云纳长片岩承载力特征值为450kPa。

孔隙水分布于第四系松散堆积物中，按照埋藏条件可分为上层滞水、包气带水和潜水。包气带水分布于襄枣盆地中的膨胀土中。上层滞水则主要赋存于包气带中的局部弱含水层中。潜水主要分布于引水线路下段的冲沟、河谷等地带的松散砂性土、砂及砂卵石层中。

基岩裂隙水分布于基岩裂隙中。盆地和平原区则埋藏在松散堆积物以下。

3 暗涵优化原则

在前阶段进行结构设计时，暗涵的地面高程统一采用一种最大埋深的高程进行计算。此次优化设计根据地面高程的变化，对暗涵结构在实际埋深情况下采用分段设计，对不同段最大裂缝宽度允许值采用0.3mm设计，优化衬砌断面厚度，优化配筋，减少低埋深情况下衬砌断面的厚度，节约工程量。

4 暗涵结构优化

4.1 计算条件

本工程暗涵段埋深变化范围较大，埋深0～22m。因此，根据不同条件，分埋深计算暗涵结构内力，合理确定，优化截面尺寸，对工程安全及节省工程投资都十分必要。以下为按暗涵顶板埋深不同进行的分组，暗涵结构比选体型分类表见表2。

（1）埋深0～5m，按照顶板以上5m埋深进行计算；比选体型为A1型和A2型。

（2）埋深5～10m，按照顶板以上10m埋深进行计算；比选体型为B1型和B2型。

（3）埋深10～15m，按照顶板以上15m埋深进行计算；比选体型为C1型。

（4）埋深15～22m，按照顶板以上22m埋深进行计算；比选体型为D1型。

表2 暗涵结构比选体型分类表 m

暗涵为单孔C25混凝土箱型结构，结构钢筋采用Ⅲ级钢筋，不同埋深下底板、顶板及侧墙厚度不同。开挖临时边坡岩基采用1∶0.75，覆盖层1∶1.5。施工完毕后回填土至原地面高程。

各计算断面处地下水水位取地面以下2m。

4.2 计算工况及荷载组合

本次计算选取的计算工况暗涵结构的荷载组合见表3。

表3 暗涵结构的荷载组合

4.3 计算荷载及计算参数

4.3.1 计算荷载

作用在暗涵结构上的荷载有结构自重、土压力、车辆荷载、外水压力、内水压力、地基支承反力等。

4.3.1.1 结构自重

沿管身纵向取1.0m长作为计算单元进行计算，钢筋混凝土容重取25kN/m3。

4.3.1.2 土压力

土压力分为铅直土压力和侧向土压力。侧向土压力按静止土压力计算；对于地面下暗涵断面，铅直土压力和侧向土压力按沟埋式计算土压力。

4.3.1.3 汽车荷载

按照JTGD60—2004《公路桥涵设计通用规范》的规定，一般暗涵的堤顶行车道路多为交通量小、重型车少的非等级公路，在计算汽车荷载时，可按车辆荷载的0.7倍考虑。计算暗涵顶上车辆荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下左30°分布，一般最不利的车辆荷载多是一个汽车的后轴重力单独作用于洞顶之上，后轴重力标注值取2×140kN。4.3.2 计算参数

依据地质专业资料，本次计算采用参数见表4。

表4 暗涵计算参数表

4.4 计算方法

暗涵结构计算采用结构的边值问题及数值解法，将暗涵结构的计算简化为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合结构的型式及荷载特点，以计算结构在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布。

4.5 计算结果

以计算条件中第2组为例，埋深5～10m，按照顶板以上10m埋深进行计算。选取B1型和B2型2种暗涵分别计算比选，B1型暗涵底板厚0.4m，顶板厚0.4m，侧墙厚0.4m和B2型暗涵底板厚0.5m，顶板厚0.6m，侧墙厚0.6m。

4.5.1 内力计算

受力情况如图1～4所示；暗涵结构受力统计见表5。

图3 B2型暗涵轴力图（单位：kN）

图4 B2型暗涵弯矩图（单位：kN∙m）

4.5.2 配筋计算

综合考虑结构运行期及检修期内的受力特征，分别对暗涵B1型、B2型的底板、顶板和侧墙进行配筋计算，并对构件典型断面上的裂缝宽度进行验算。计算结果见表6、7。

表6 B1型暗涵配筋及裂缝验算成果

表7 B2型暗涵配筋及裂缝验算成果

根据以上计算结果可以看出，B1体型虽然侧墙及底板厚度降到0.4m，但在内外荷载的组合作用下结构配筋率较大；B2体型底板厚度0.5m，侧墙、顶板厚度0.6m，较B1体型厚度稍有增加，但结构配筋率下降明显。综合结构安全及钢筋混凝土工程量等方面因素，此段暗涵推荐体型采用B2体型。

综上所述，暗涵标准段（10m）顶板、侧墙衬砌厚度可以由0.8m减至0.6m，底板衬砌厚度可以由0.8m减至0.5m，总计减少暗涵混凝土44.91m3。结构优化工程量比较见表8。

表8 结构优化工程量比较

4.5.3 优化后体型

根据以上优化过程，分别对本标段内不同埋深的暗涵结构进行计算后，得出暗涵结构优化后体型表，见表9。

表9 暗涵结构优化后体型表 m

5 结语

（1）本标段暗涵结构优化后总共可以节省钢筋混凝土7595.3m3，钢筋871t。

（2）本文结合鄂北工程暗涵结构的典型工程实例，根据地形地质条件，地下水情况，在保证过水断面不变的情况下，优化衬砌厚度，节约了工程投资，具有明显的经济效益。该工程目前正在实施阶段，为类似EPC项目优化设计具有一定的参考价值。