榆林市王圪堵水庫輸水工程沙界溝橋倒設(shè)計分析

劉 源

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院,陜西 西安 710001)

王圪堵水庫壩址位于榆林市橫山縣城關(guān)鎮(zhèn)西北12km、榆靖高速公路無定河大橋以上 2.5 km無定河干流上。王圪堵水庫樞紐由大壩、放水洞及電站廠房、泄洪排沙洞(兼導流洞)溢洪道組成。榆橫煤化學工業(yè)區(qū)地處榆陽區(qū)和橫山縣境內(nèi),屬于無定河流域,位于水庫下游北部,距水庫壩址約27 km。魚米綏鹽化學工業(yè)區(qū)位于榆陽區(qū)魚河鎮(zhèn)、米脂縣和綏德縣境內(nèi),沿無定河帶狀分布,距王圪堵水庫壩址約 40～50 km。榆橫工業(yè)園區(qū)水廠位于橫山縣波羅鎮(zhèn)和白界鄉(xiāng)交界處,是陜西省重要的煤化學工業(yè)園區(qū)之一。供水工程水源為園區(qū)重要的水源工程—王圪堵水庫庫水。在建的王圪堵水庫工程位于無定河中游,輸水管線北線沿無定河左岸折向東北向,穿越硬地梁河、沙界溝、二石磕溝(清河)、沙河溝后,到達水廠,管線全長約 28.47 km。王圪堵水庫輸水工程是王圪堵水庫的配套工程,輸水工程主要由取水口、輸水管線、加壓泵站、過溝建筑物等組成。穿越沙界溝輸水管線擬采用橋式倒虹。

1 設(shè)計依據(jù)

沙界溝橋倒為管線跨越沙界溝的過溝建筑物,總跨度約160m。該段河道呈 U形,谷底寬度約 88m,右岸岸坡高度約39m,天然坡度約 41°,左岸岸坡高度約 29 m,天然坡度約55°。河床段表層分布河道沖積細砂(Q42al),松散,厚度約7.2～8.8m,下部為侏羅系安定組互層狀砂巖、泥巖,強風化厚度 1.5～2.0 m。河床段表層沖積細砂層標貫平均擊數(shù)(N63.5)為 12.0擊,干密度 1.55 g/cm3,相對密度 Dr=0.25,呈松散 ～稍密狀,建議承載力特征值為 fak=120 Kpa;下伏弱風化基巖樁的極限端阻力標準值為3 000 kPa,設(shè)計值1 500 kPa。

2 橋倒設(shè)計

2.1 橋倒尺寸

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計沙界溝橋倒工程跨度 113 m。輸水管道內(nèi)徑1.4m,壁厚16mm,采用 Q 345壓力鋼管,橋倒方案擬采用單跨為 16m和13m的 C25鋼筋砼 π梁式結(jié)構(gòu),擬定 π梁高1.3m,總寬度 4.9m,梁肋寬 0.5 m的簡支結(jié)構(gòu)。下部支撐排架擬定 C25鋼筋砼單排架支承,根據(jù)工地實際情況擬定排架最高16m,擬定排架立柱橫斷面 800mm×600mm,排架立柱間設(shè)置橫梁,橫梁豎向間距擬定 2.9m,擬定橫梁橫斷面尺寸 400mm×600mm,排架下部 C 20鋼筋砼承臺基礎(chǔ)擬定長×寬 ×高尺寸為5000 mm×2 500mm×1 500 mm。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計

計算鋼筋混凝土重度取 25 kn/m3,鋼材重度取 78.5 kN/m3,水重度取10kN/m3,人群荷載取3 kN/m2,尺寸單位若無特別說明均以 mm計。

a鋼管自重 每跨16m管自重 =3.14×1.4×0.016×16×78.5 kN/m3=88.34 kN

b管道內(nèi)水重 每跨 16m水重 =3.14×0.72×16×10=

24 6.17 kN

c支墩自重 擬定管座支墩尺寸長 500×寬 400×高 200,支墩間隔6m。

=0.5×0.4×0.2×25×4=4 kN

d人群荷載每跨 16m人群荷載 =3×2.5×16=120 kN(兩側(cè)人行道各寬 1m、1.5m)

eπ梁自重每跨16mπ梁自重 =1.8 636×16×25=745.44 kN

f作用在 π梁和管道上風壓力

風壓力 =風荷載強度W(kN/m2)×受風面積

風荷載強度 W=βZμSμZμtW0

W0為基本風壓值(kN/m2),當有可靠風速資料時,按W0=υ20/1 600計算,υ0為當?shù)乜諘缙教沟孛骐x地10m高處統(tǒng)計所得 30年一遇10m in平均最大風速(m/s),根據(jù)資料取 υ0=25.7 m/s,W0=0.413;μt為地形地理條件系數(shù),取0.8;μZ為風壓高度變化系數(shù),取 1.2;μS為風載體型系數(shù),取 1.4;μZ風振系數(shù),根據(jù)下表取值。

T1(S)0.25 0.5 1.0 1.5 2.0 3.5 5βZ 1.25 1.40 1.45 1.48 1.50 1.55 1.60

T1為支承排架自振周期

式中:H為槽身重心至地面高度(m),取 15.5m;M為擱置于排架頂部的槽身質(zhì)量(空槽情況)或槽身及槽中水體的總質(zhì)量(kg),管自重 +水重 +支墩自重 +π梁自重 =88.34 kN+246.17 kN+4 kN+745.44 kN=108 396 kg;E為排架材料的彈性模量(N/m2),2.55×1010N/m2;J為排架橫截面慣性矩(m4),0.0144 m4;A為排架橫截面面積(m2),0.48 m2;ρ排架材料密度(kg/m3),25 000/9.8=2 551.02 kg/m3

H M E J AρT1 15.5 108 396 25 500 000 000 0.0 144 0.48 2 551.02 3.883757

根據(jù)計算結(jié)果取風振系數(shù) βZ=1.57

風荷載強度計算

W 0 μs μz μt βz W 0.413 1.4 1.2 0.8 1.57 0.87

風壓力 =風荷載強度 W(kN/m2)×受風面積 =0.87×2.5×16=34.8 kN

g作用在排架上風壓力

?

根據(jù)計算結(jié)果取風振系數(shù) βZ=1.45

風荷載強度計算

W 0 μs μz μt βz W 0.413 1.4 1 0.8 1.45 0.67

風壓力 =風荷載強度 W(kN/m2)×受風面積 =0.67×13.2×0.8/13.2=0.536 kN/m

h排架自重 (0.8×0.6×(15.2×2+6.8)+0.6×0.4×1.6×4)×25=484.8 kN

i承臺基礎(chǔ)自重 5×2.5×1.5×25=468.75 kN

根據(jù)地質(zhì)資料沙界溝河床漫灘細砂建議地基承載力為120 kpa,參考已建成工程經(jīng)驗并結(jié)合本工程實際情況擬采用底部增加C 20樁基礎(chǔ),擬定樁基礎(chǔ)直徑 1.2m,端承樁端部伸入強風化下限不小于 1倍樁徑,樁最大長度 23 m,最小長度7m,根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報告》資料強風化以下端阻力取1 500 kN/m2。

選取工程最不利情況進行計算,上部排架高16m,樁基礎(chǔ)長度 7m。

根據(jù)地質(zhì)資料單根樁基礎(chǔ)端部承載力為 3.14×0.62×1 500=1 695.6 kN

采用兩根樁基礎(chǔ),承載力為1 695.6×2=3 391.2 kN

豎向合力 A:(kN)

管自重 水重 支墩 人群 π梁 排架 基礎(chǔ) 樁自重 合計88.34 246.176 6 120 684.8 484.8 468.75 395.64 2494.51

2.3 梁設(shè)計

π梁受力情況:

均布力:人群荷載 +π梁自重=7.5+46.59=54.09 kN/m集中力:鋼管自重 +管道內(nèi)水重 +支墩重 =(88.34+246.17+6)kN/2=170.25 kN

計算得單跨 16mπ梁縱向最大彎矩設(shè)計值 M=2 582.17×1.2=3 098.6 kNm

單跨13mπ梁縱向最大彎矩設(shè)計值 M=1 728×1.2=2 073.6 kNm

π梁配筋計算:(單跨 13m)

簡化為肋寬1 000的 T型截面梁,參考 T型截面梁配筋進行計算。

鋼筋混凝土梁在二類環(huán)境受拉筋為雙排鋼筋情況下

取 b′f=2 920mm

鑒別 T型梁所屬情況:

所以屬于第一種情況的 T型梁(x≤h′f),按照寬度為2 920mm的矩形梁計算

rdM fc b′f h0 as2 073.6 12.5 2 920 1 230 0.03 755

fc E b′f h0 fy As(mm2)12.5 0.038 2832 920 1 230 310 5544.24

π梁配筋計算:(單跨 16m)

fc E b′f h0 fy As(mm2)12.5 0.057 779 2 920 1 230 310 8367.7

2.4 排架設(shè)計

排架受力情況:

管自重 水重 支墩 人群 π梁 合計88.34 246.176 6 120 684.8 1 145.32

集中力:上部結(jié)構(gòu)合力(管自重+水重 +支墩 +人群 +π梁)排架自重:2.9m立柱自重=0.6×0.8×2.9×25=34.8 kN

作用在 π梁和管道上風壓力 =34.8 kN

均布力:2.2 m橫梁自重 =0.4×0.6×2.2×25/2.2=6 kN/m

計算得排架立柱承受荷載底部最大軸力設(shè)計值:

N=924.46×1.2=1 109.35 kN

底部最大彎矩設(shè)計值:M=153.61×1.2=184.33 kNm

排架立柱鋼筋計算:

立柱橫截面尺寸 b×h=800×600,橫梁橫截面尺寸 400×600,計算長度 l0=l=16 m

l0/h=16 000/600=26.67＞8,需要考慮縱向彎曲影響

計算 η值:

e0=故按照實際偏心距 e0=166.16mm計算

判斷大小偏心

ηe0=2.51×166.16=417.06 mm＞0.3 h0=0.3×560=168mm

故按照大偏心計算

計算 ξ值

計算 As(A′s)值

3 結(jié)語

根據(jù)以上計算結(jié)果得出,根據(jù)沙界溝溝形地質(zhì)等條件,本工程設(shè)計樁基礎(chǔ)承載力滿足上部結(jié)構(gòu)荷載的要求,沙界溝橋倒結(jié)構(gòu)設(shè)計可行,滿足管線整體布置過溝要求,降低倒虹吸壓力水頭,增加輸水管道安全性,降低因場地狹小給施工造成的難度,臨時占地少運行管理和檢修維護方便,對地貌擾動小,利于水土保持和環(huán)境保護;對于π梁單跨長度 13m,縱向受拉鋼筋選配 20Ф22,總計鋼筋面積7602mm2;對于 π梁單跨長度 16m,縱向受拉鋼筋選配 20Ф25,總計鋼筋面積9 818mm2;對于排架立柱,豎直向內(nèi)外側(cè)受拉受壓鋼筋 As、A′s各選配 6Ф25,總計鋼筋面積 As=A′s=2 945mm2。

[1]SL191-2008.水工鋼筋砼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.

[2]DL5077-1997.水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范.

[3]GB 50007-2002.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范.

[4]竺慧珠,陳德亮,管楓年.渡槽.中國水利水電出版社.2004.

[5]周景星,王洪瑾,虞石民,李廣信.基礎(chǔ)工程.清華大學出版社.2000.