MIDAS Civil在穆家沟水库鲫江河渡槽受力计算中的应用

朱 熙，陈虹旭，唐志波

（四川大学水利水电学院,四川 成都 610000）

随着现代施工技术的提高,横跨于大河之上的渡槽比比皆是,然而其中运用midas civil软件进行有限元受力分析的却不太普遍,本工程中的鲫江河渡槽拱跨径为60 m,高度为15 m,为跨度较大的拱槽结构,本文通过 MIDAS Civil 建模及动态演示对拱槽对其受力情况进行分析,结合相关优化设计方案使施工做到经济、安全,为其他拱槽设计提供借鉴作用。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

穆家沟水库工程位于鲫江河支流穆家沟上,穆家沟属于岷江左岸二级支沟,鲫江河右岸一级支沟。坝址位于眉山市东坡区崇礼镇柏杨村,距眉山市约9 km,距成都市约83 km,坝址下游有简易道路通往坝址位置,对外交通条件一般。

穆家沟水库工程是一项农业灌溉、农村生活供水等综合利用的中型水利工程,并作为眉山市城区应急备用水源。水库供水范围包括崇礼、金花、复兴、柳圣4个乡镇,总灌溉面积6.10 万亩；供水人口3.83 万人。工程多年平均供水量2225 万m3,其中东风渠直供水量553 万m3,水库供水量1672 万m3。

穆家沟水库工程坝址控制集水面积15.6 km2,主河道河长8.10 km,平均比降6.35‰。校核洪水位446.59 m,设计洪水位446.27 m,正常蓄水位445.50m,死水位435.00 m。水库总库容1408 万m3,正常蓄水位对应库容1237 万m3,兴利库容1029 万m3,死库容208 万m3。穆家沟水库工程包括枢纽工程及灌区工程。其中灌区工程左干渠最低取水位为435.00 m（死水位）,设计引水流量2.90 m3/s,全长5.67 km。左干渠跨鲫江河渡槽设计过流能力为2.45 m3/s,加大流量为3.06 m3/s,左干渠跨鲫江河渡槽提高一级为4 级建筑物。

1.2 渡槽布置

渡槽全长413.24 m,分别为3 跨9.413 m渡槽段（Z3+473.69～Z3+501.93）、38 跨10 m渡槽段（Z3+501.93～Z3+881.93）、5 m渐变段（Z3+881.93～Z3+886.93）。渡槽上部结构采用钢筋混凝土结构,下部结构为排架形式,排架尺寸详见图纸部分。跨越鲫江河采用1孔跨拱结构,矢跨比为1/4,拱跨径为60 m,高度为15 m,拱肋、基座等尺寸见图1。

图1 鲫江河渡槽纵断面布置图（单位：cm）

2 现浇拱槽施工简述控制

施工工序：过河基础施工（河道涵管设置及过河围堰施工）→施工脚手架支设→钢筋制作及绑扎、安装→模架安装→荷载预压→浇筑前验收→ 混凝土浇筑→拆模养护。

2.1 过河基础施工方案（河道涵管设置与围堰施工）

因拱槽横跨鲫江河,为后面脚手架和模板的支设施工,需在河中设一导流涵管,将河中间用土夯实。鲫江河河面宽度约45 m,采取临时围堰分段施工。本工程采用连砂石回填夯实、安装DN2000 钢筋混凝土排水管过水,连砂石上部浇筑C20钢筋混凝土（厚度20 cm）,过水迎水面及背水面浇筑C20钢筋混凝土（厚度20 cm）与上部垫层连为一体,为防止过流对钢筋混凝土管造成变形位移,将迎水面及背水面混凝土与排水管壁厚范围布钢筋浇筑混凝土连为一体,并深入河床高程1 m以下,防止混凝土位移。

2.2 脚手架施工

清表、整平夯实处理完成后,浇筑200 mm厚C20砼作为脚手架垫层,每根直杆下铺木方,再进行上部排架的搭设,排架材料采用Φ48 mmδ=3.6 mm普通脚手架钢管。本工程脚手架搭设最高高度24 m,采用满堂脚手架支设,中间4.8 m为承重脚手架,间距、排距、步距均为0.6 m,两侧为辅助脚手架间距、排距、步距均为1.2 m。满堂脚手架布设宽度总共为9.6 m；水平剪刀撑及竖向剪刀撑均全断面布置。竖向剪刀撑从扫地杆开始延伸至工作平台全断面布设,横向竖向剪刀撑全断面布置,纵向竖向剪刀撑两侧各设一道。水平剪刀撑全断面布设,设置在扫地杆及脚手架顶部各一道,中间部位不超过8 m设置一道；抗倾覆斜拉,沿脚手架边缘两侧分别设置抗倾覆斜拉,斜拉基础采用C15 素混凝土,斜拉混凝土距脚手架边缘间距10 m,排距10 m；斜道设置在横向左侧,斜坡宽度1.2 m,水平平台宽度长度为1.2 m×1.2 m,从扫地杆位置开始至槽底工作面设置,斜道坡度为1∶3。

2.3 模板施工

本工程承台基础、排架柱、顶梁（横梁）、槽身等位置采用的组合钢模板,细部处理、槽身转角、混凝土输送预留洞口等采用规格1830 mm×830 mm×18 mm的木模板进行模板支设。

2.4 荷载预压

为减小拱槽沉陷,拱肋模架施工完成后,按照设计的荷载对拱架进行预压,采用塔吊将等同于设计荷载的沙袋吊装至预压部位,使之达到预压值。

2.5 混凝土浇筑

本工程主体工程混凝土采用集中拌制,由混凝土拌和系统集中提供。拌和系统的拌和强度为60 m3/h。

3 计算条件

3.1 计算工况

根据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）[1]要求第3.2.2条：承载能力极限状态计算时,结构构件计算截面上荷载效应组合见表1。

表1 荷载工况表

3.2 模型建立使用荷载基本参数

根据《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）要求第3.2.2条：承载能力极限状态计算时,结构构件计算截面上荷载效应组合见表2。

表2 荷载工况表

4 计算结果与分析

采用midas软件建立渡槽模型进行结构分析,模型见图2。

图2 拱渡槽结构模型图

4.1 工况一计算结果

控制截面验算表格见表3。

表3 构件控制内力、配筋表

（1）偏心受压验算：

在承载能力极限状态组合（最不利工况）下,拱肋弯矩、对应轴力内力及截面偏心受压验算见表4,拱肋偏心受压承载能力满足要求。

表4 力与弯矩平衡表

（2）斜截面抗剪验算：

根据规范《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）,符合KV≤Vc时,可不进行斜截面验算,仅按照构造配筋即可。

其中最大截面KV=1.15×278=319.7≤Vc=0.7ftbh0=807 kN,通过计算,拱肋截面在基本组合（最不利工况）下斜截面满足抗剪要求。

通过以上计算,拱肋在基本组合作用（最不利工况）下,截面强度均满足规范要求。

（3）拱肋裂缝宽度验算

根据规范《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）7.2.1,当钢筋混凝土构件满足7.1.1条抗裂要求时,可不再进行裂缝宽度验算。

对于偏心受压构件,在荷载效应标准组合（最不利工况）下,抗裂验算规定为：

4.2 工况二计算结果

控制截面验算表格见表5。

表5 构件控制内力、配筋表

4.2.1 偏心受压验算

在地震组合下,拱肋弯矩、对应轴力内力及截面偏心受压验算见表6,拱肋偏心受压承载能力满足要求。

表6 力与弯矩平衡表

4.2.2 斜截面抗剪验算

根据规范《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008）,符合KV≤Vc时,可不进行斜截面验算,仅按照构造配筋即可。

其中最大截面KV=1.15×225.3=259.1≤Vc=0.7ftbh0=807 kN,通过计算,拱肋截面在地震组合下斜截面满足抗剪要求。

通过以上计算,拱肋在地震组合作用下,截面强度均满足规范要求。

5 结语

采用 MIDAS Civil 受力软件能够很好地对渡槽的排架及拱肋进行有限元模拟,有效解决支撑系统因计算不合理导致出现安全隐患及在校核设计方案存在的不足及富裕度问题[2],在经济方面的优点也较为突出。鲫江河渡槽受力验算采用以上计算软件,节省了大量时间,而且施工相对方便,也节省了人力,同时加快了施工进度,确保了施工安全。为同类水电站基础施工提供了宝贵的借鉴经验。