复杂地质条件对钢管倒虹吸结构安全的影响分析

杨 鼎，彭勃荐，霍俊怡

（1.云南省滇中引水工程有限公司，昆明 650000；2.华北水利水电大学，郑州 450045）

1 工程概况

观音山钢管倒虹吸工程采用3根内径4.2 m压力钢管，建筑平面长9 777.117 m，设计流量100 m3/s。倒虹吸钢管沿线共设71 个镇墩，支墩间距为10 m，支撑环采用下支撑式，支座均采用聚四氟乙烯滑动支座。为适应钢管因温度变化引起的轴向变形，两个镇墩间每个钢管均布置一个单式波纹管伸缩节。钢管、加劲环及支撑环钢材均采用Q345C，钢管管壁厚度22 mm，其镇墩与支墩剖面图如图1所示。

图1 结构剖面图

2 有限元模型

计算模型包括钢管、支撑环、支墩、镇墩、地基。钢管、支撑环采用壳单元模拟，混凝土和地基采用8节点实体单元模拟。为合理考虑边界效应的影响，结合断面开挖尺寸，地基模型选用长120 m，宽为倒虹吸结构的3倍宽度，取54 m，水平面向下取4倍倒虹吸结构高度，取深32 m 的土体进行建模，为方便建模分析，把土体视为均匀土层，土层中间断层视为竖向断层。

模型选取两镇墩之间100 m 段钢管进行研究，依据《水利水电工程压力钢管设计规范》（SL/T 281－2020）给出的钢管设计参数并且根据实际情况，模型中倒虹吸钢管内直径4.2 m，钢管厚度22 mm，支撑环高250 mm，厚度40 mm。该模型布置了2个镇墩，每两个镇墩之间的距离为90 m，每两个镇墩之间布置5个支墩，每两个支墩之间的距离为15 m。模型采用空间直角坐标系，X、Y、Z坐标轴分别对应与模型的水平方向、竖直方向、水流方向。地基顶部为自由边界，地基底部边界刚性约束，地基前后以及侧向边界均施加法向约束。

在计算分析时，镇墩、支墩混凝土和垫层部分采用各向同性模型[1]，钢管和支撑环等结构用钢均采用Q345C，镇墩和支墩采用C25 混凝土。结合实际地勘资料，给出倒虹吸管体、支撑环、镇墩、支墩等结构的材料力学参数（见表1），各层土体等材料的力学参数（见表2）。

表2 土体材料物理力学参数

图2 有限元模型

表1 结构材料物理力学参数

作为水工建筑物的压力明钢管在工作运行时是充满水的。考虑实际情况，结构及地基整体的重力通过重力加速度施加，倒虹吸管道内水压力由管内水重和水头引起的压力组成，其值为

式中：γw为水的容重；r0为圆管内半径；θ为接触点法线与水平方向的夹角。

3 结果及讨论

采用上述有限元模型，在运行工况荷载组合作用下，倒虹结构的整体沉降、管体的竖向位移见图3和表3。

表3 结构竖向位移及分布

图3 结构竖向位移

由图3和表3可知，断层两侧的镇墩、支墩位移变化较大，位移最大处在最右侧镇墩处，位移为172.8 mm；左侧镇墩位移为171.0 mm；位移最小处在第三支墩处，位移为158.9 mm。土体的不均匀沉降使两镇墩产生了1.8 mm的相对位移。

钢管最大位移发生在钢管的最右端，其最大位移为173.0 mm；最小位移发生在钢管中间段，其最小位移为158.0 mm。土体的不均匀沉降使钢管产生了15.0 mm的相对位移。

支撑环最大位移在最右侧镇墩处中间支撑环的环底部中间位置，其最大位移为165.3 mm；最小位移位于第三支墩处支撑环的双侧支撑环外侧中上部，其最小位移为158.7 mm。

倒虹吸结构应力分布见图4，结构最大应力及位置见表4。

图4 结构应力分布

表4 结构最大应力及位置

由图4 可知，钢管各部分结构应力均在允许应力范围内，镇墩、支墩最大应力处在与地基接触位置，支墩第一主应力最大值为2.6 MPa，镇墩第一主应力最大值为9.0 MPa，都已经超过C25混凝土轴心抗拉强度设计值，有出现裂缝的可能，施工当中应考虑相应措施。

4 结论

本文通过钢管倒虹吸三维有限元模型，分析结构的应力及变形，主要结论如下：

（1）钢管两侧位移较大，中间管段位移较小，复杂的地质条件会对结构变形影响较大，但在短距离的输水段上位移变化相对较小。

（2）复杂地质条件会使钢管倒虹吸结构钢管及支撑环产生应力集中，导致结构局部变形较大。钢管、支撑环等结构的应力均未超过所使用钢材的允许应力，结构应力均在安全范围内。

（3）镇墩和支墩的混凝土应力超过其设计强度，有可能出现裂缝，可多布置滑动支座或伸缩节来协调结构变形，以降低其开裂风险。

（责任编辑：刘征湛）