武南河立交枢纽关键技术研究与应用

张 旭，魏 海，高兴和

(1.江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000；2.昆山市水务工程建设管理处，江苏 苏州 215300)

1 工程概况

武南河立交枢纽是武进武南片区防洪除涝及畅流活水闸站建筑物工程中的节点工程，工程建成后将全面提高武进武南片区防洪排涝能力，改善武进武南片区水环境，推进生态文明建设。武南河立交枢纽共分为3个部分，即西闸站工程、立交地涵工程及东涵闸工程。枢纽的功能主要是利用西闸站自滆湖引水，通过西沉井[1]连接立交地涵，采用顶管工法[2]下穿武宜运河，将清水输送至运河以东的东涵闸的涵首，后引水至主城区。工程引水期间工作原理断面如图1所示。

图1 枢纽引水期间工作原理断面示意图

2 枢纽布置与功能特点

武南河立交枢纽工程场区位于武南河与武宜运河交叉口处，武宜运河为等级航道，货运船只往来频繁，施工期不得断航、阻航。同时，施工场地周边分布有高压铁塔、跨河水管、高压燃气管线、电力管线、跨河桥梁等建(构)筑物，枢纽选址场区的周边条件十分复杂，布置空间特别狭小。而枢纽功能包括了引水泵站、东西两侧各一座挡水水闸、输水涵管、工作沉井等多种型式、多种功能的水工建筑物，若采取传统水利工程按不同功能分区，并列平铺的分建方案，显然无法满足在有限的场地内布置下如此多种水工建筑物的要求。

因此，武南河立交枢纽采用新型闸泵涵共体结构型式。其中武宜运河以西的西闸站工程，平面布置上采用3台6.7m3/s泵站居中，2孔8m宽翻板门节制闸分居两侧的共体结构。出水口连接地涵始发井；始发井下部采用2根内径3m预应力钢筒混凝土管下穿武宜运河接至武南河侧接收井；东涵闸采用闸上涵下的共体结构设计，下部为地涵接收井，上部为单孔净宽16m底轴驱动翻板节制闸，下部接收井即地涵出水口，引滆湖清水至武南河后送入主城区。枢纽引水平面示意如图2所示。

图2 引水期间枢纽平面示意图

武南河立交枢纽总体布置采用闸、泵、涵互为融合共体的新型结构型式，相较于分功能独立布置的传统水利枢纽工程，具备以下显著特点：

(1)立交叠合设计功能互为利用，水力衔接更优，结构相互增强。

闸站工程设计时充分考虑水闸、泵站和地涵在垂直方向上具有上下叠合的特点，水闸闸室位于上部，泵站泵室位于中部，地涵顶管位于下部，形成闸泵涵一体的多功能组合型水工建筑物。水闸闸室与泵室，平面上互间互错，立面上闸上泵下相互叠合，立体空间互为利用，地涵涵首直接连接泵站流道，深埋于平交河床之下，水流分级跌落，更有利于水力衔接。同时在结构设计上，叠合错位设计不仅可节省施工空间，同时可以使闸泵涵结构互为加强，满足结构安全需要。

(2)闸泵涵共体，任意组合；控制调度，灵活多变。

新型共体结构下部布置泵室、地涵涵首，上部布置水闸闸首。除武南河立交枢纽的布置方式外，还可根据闸、泵、涵各自规模大小及其交叉过流、衔接布置等不同的功能需要，进行灵活多变的组合。即水闸、泵室、地涵均可按单孔、双孔、三孔甚至多孔结构，进行任意不同孔径与孔数的共体组合；在控制调度上，上部水闸和下部泵室、地涵均可设置可启闭控制的闸门，进行单控或双控，一般单控上部水闸或下部泵站，即可实现平交水流的立交分流与合流功能，如需对地涵也进行控制，也可在共体结构下部地涵设置闸门控制，实现双控，闸泵涵共体控制调度随着组合不同而灵活多变，如图3—6所示。

图3 闸泵组合型式一(武南河立交采用型式)

图4 闸泵组合型式二

图5 闸泵组合型式三

图6 闸泵组合型式四

(3)枢纽主体全部位于地下，地上无高耸建筑物遮挡，水上通视，易于与周边景观衔接。

常规水工建筑物水面以上通常设置主、副厂房，检修室，启闭机室等地面建筑，地面建筑风格设计的水平通常是决定整个水利工程风貌的关键。新型共体设计使闸泵叠合布置，既有利于高程上与引水涵管的衔接，也充分利用了空间。其中下部空间可将闸底板之下空间联通，形成贯通的泵室空间，流道之上的空间，做成空箱结构，用于布设闸泵的启闭控制设备(启闭控制室)，实现上下空间的高效利用。同时，采用多支铰处理底轴驱动翻板门控制技术，单驱动控制系统，地面移动吊装方案，使枢纽实现全开敞、高隐蔽和水力造景的特性。其多层错落叠合布局，闸泵涵及其控制室均处于地下，地上场地开阔，视野无遮拦，水工建筑新颖，水利功能齐备，组合优势明显。

3 新型共体结构数值模拟仿真计算

武南河立交枢纽采用新型共体式布置方案，闸站结构新颖而复杂，为准确反映结构体受力状态，掌握结构应力应变情况，确保新型结构稳定安全。工程设计中采用了在土木工程设计领域应用广泛的大型通用三维有限元计算软件，以武南河立交枢纽西闸站共体式结构作为研究对象，对结构进行三维数值仿真分析。

有限单元法(FEM，Finite Element Method)是一种为求解偏微分方程边值问题近似解的数值模拟技术[3]。有限单元法分析过程大体分为以下几个步骤：①将研究对象离散化；②根据虚功原理，通过单位刚度矩阵建立节点力与节点位移的平衡方程；③通过单元平衡方程，建立整体结构的平衡方程；将单位刚度矩阵转换成整体刚度矩阵，并将作用于每个单元上的节点力转换成总的荷载列阵，从而得到整体平衡方程：[K]{δ}=[R]；④引入几何边界条件，计算未知节点位移矢量；⑤由节点位移矢量计算单元应力。

首先，建立三维实体模型，为站身钢筋混凝土结构及地基土层分别选取软件自带实体单元进行模拟。地基土层的材料根据地质资料进行定义，其中地基土选择弹塑性地基模型来模拟(Drucker-Prager模型根据D-P屈服准则定义土体性质[4-5]，运用胡克定律求解弹性变形，塑性理论求解塑性变形，叠加求得总变形量)，最后利用软件自带的网格剖分功能对实体模型进行网格划分[6-8]，如图7所示，定义模型的边界条件和初始条件(重力场)。分别按均布荷载添加边荷载、扬压力荷载；按梯度荷载添加水、土压力荷载。最后，对模型进行求解计算，如图8所示。

图7 站身网格模型

图8 站身应力云图

通过对不同工况下位移和应力结果的分析计算，得出最大位移和最大拉压应力均发生在完建期工况，位移变化以竖向位移为主，在完建期工况结构的竖向位移最大值为3.42cm，最小位移值是3.08cm，结构体的绝对沉降与不均匀沉降均符合规范要求。结构最大压应力值为4.91MPa，最大拉应力值为1.96MPa，在边墩与顶板和底板的连接处等部位会出现应力集中现象，实际工程设计中已通过加强局部钢筋配筋量或增设贴脚等方法进行了处理。

4 新型共体结构水力衔接计算

工程设计中开展了针对设计方案整体水力衔接数值模拟与优化的专题研究，采用目前被广泛应用的商用湍流数值计算软件对枢纽进水前池、泵站站身、立交地涵等部位建立三维模型(如图9所示)，并对枢纽引水期不同水位组合对应的工况进行数值模拟计算[9-10]，分析了多种工况组合下的水流流态及水力损失。通过优化泵装置、优选管径、改善流态等措施降低工程能耗，从而达到减少武南河立交枢纽建设及运营成本的目的。

图9 水力模型及流场分布云图

研究的主要内容包括：在不同管径、不同开机组合条件下，对泵涵管线整体水力衔接以及泵装置进出水流道、前池等进行CFD计算。得到泵站出水流道与地涵、地涵与出水口等节点的最优水力衔接断面，通过分析、比选管道线型对水流流态、流速分布及水头损失等水力学参数的影响，获得泵涵进出水整体最优水力衔接方案。

根据计算结果得出各工况组合下的沿程、局部水力总损失，见表1，并据此推导出泵装置最优水力性能，从而得到最优水泵选型方案，最大限度的降低了建成后水泵后期的运行成本。

表1 泵涵全程水力损失计算汇总表 单位：m

5 推广应用前景

传统水利工程大都建在城市外围比较偏远的工程场地上，工程用地矛盾较小，限制较少。而随着国民经济的发展，城市外围防洪排涝体系日渐完善，而城市水网内部水生态、水环境、水安全等问题日益显著，广大人民群众对城市水体质量提升的需求逐步提高。水利建设的侧重点逐步向以改善水环境为目的的城区河网引调水工程倾斜。同时，城区河网建设水利工程通常涉及沿线征迁量大、牵涉利益矛盾多、协调难度大、用地费用高，工程推进难度大且不可预见因素多等难题。所以，传统的水利工程宏伟、粗犷的布置理念已经不适应新的城区水利建设的新特点、新趋势。

新型闸泵涵共体结构设计理念，使不同功能的水利工程实现融合化、立体化、小型化、集成化。最大限度的使各功能区之间实现叠合布置，相互增强，有序衔接，空间联通，从而达到在主城区水利工程建设中优化空间、减少征地、节省投资的目的。新型闸泵涵共体结构特别适用于为城区平原水网交叉水流提供水动力的引调水工程，从小型闸泵涵到大型引水立交枢纽均具有广泛的适用性。同时，结构型式灵活多变、任意组合，适用范围广泛，便于推广应用。

该型结构已在武南河立交枢纽上得到应用，为工程减少了移民征地范围，既节约了土地资源和工程造价，又避免了不必要的征迁矛盾。其优异的结构特点，为后续类似功能的水利枢纽提供了新的设计思路和解决方案。

6 结语

本文提出一种新型闸泵涵共体结构设计思路，并应用于武南河立交枢纽的工程设计中，成功解决了在场地条件复杂、空间狭小的场区内布置多功能水利枢纽工程的难题。并应用数值模拟仿真技术，对枢纽采用的共体式新型结构的结构应力、应变、位移、水力衔接等内容进行了数值模拟分析，根据计算得出的应力分布、结构位移、水力损失等计算结果，对结构进行了优化设计。从而达到了减少工程建设投资、降低运营成本的目的，对今后类似水利工程的设计具有较好的参考价值。

与此同时，由于工程施工工期紧、设计周期短，本新型结构尚有进一步改进完善的空间，后期将通过模型试验和在工程实体中埋设监测设施等手段，对新型结构的理论计算成果进行对比验证，从而进一步优化、完善结构设计。