倒虹吸管回填土有限元分析

梁素偉，苗衛(wèi)明，汪 健

(1．河北省南水北調(diào)工程建設(shè)管理局，河北 石家莊 050035;2．河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056021)

研究背景

南水北調(diào)中線工程是世界水利項(xiàng)目中最偉大的工程之一，把水資源從相對(duì)比較豐富的長江流域通過輸水明渠調(diào)集到水資源日趨貧瘠的京、津、冀地區(qū)，可以有效改善北方地區(qū)的水資源配置和生態(tài)環(huán)境?？偢汕c河道相交時(shí)往往采用修建倒虹吸工程進(jìn)行處理，河道排水倒虹吸在南水北調(diào)中線工程中數(shù)量多、分布廣、結(jié)構(gòu)形式多樣。倒虹吸管身結(jié)構(gòu)的工作性能狀態(tài)和周圍土體的應(yīng)力、應(yīng)變及沉降量，直接關(guān)系到總干渠的安全和周邊人民群眾生命及財(cái)產(chǎn)安全。為了更好地了解和研究河道倒虹吸這種南水北調(diào)工程中特有的建筑物，提出了河道倒虹吸管身三維有限元分析的課題。

國內(nèi)外高校、科研院所及設(shè)計(jì)院所對(duì)南水北調(diào)項(xiàng)目中倒虹吸工程研究自始至終沒有停歇過，研究的方法主要分為建造水工模型進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)研究和采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。北京市水利科學(xué)研究所的孟慶義，采用縮短管長進(jìn)行建造水工模型的設(shè)計(jì)方法，放棄全程流動(dòng)相似的模擬方法。張成等克服了長距離輸水明渠非恒定流模擬的困難，建立了針對(duì)復(fù)雜內(nèi)邊界長距離輸水明渠的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型。張龍飛等結(jié)合南水北調(diào)中線工程中某大型預(yù)應(yīng)力混凝土倒虹吸工程，運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值分析;高子蘭結(jié)合李陽河渠道倒虹吸工程，對(duì)連體環(huán)形預(yù)應(yīng)力管道進(jìn)行了有限元分析;段昱罡以南水北調(diào)中線段天津干線中一處大型鋼筋混凝土箱涵為背景，采用大型通用軟件ANSYS進(jìn)行非線性有限元分析，得出鋼筋混凝土箱涵非線性的受力特征和不同混凝土本構(gòu)關(guān)系的選擇對(duì)研究結(jié)論的影響。

渠道倒虹吸領(lǐng)域研究的學(xué)者比較多，預(yù)應(yīng)力箱型倒虹吸、圓形倒虹吸，現(xiàn)澆箱型倒虹吸等都有涉及，關(guān)于河道倒虹吸這種南水北調(diào)工程特有的建筑物研究卻還很少。渠道倒虹吸主要研究管身拉應(yīng)力能否滿足混凝土材料的要求和地基不均勻沉降量，由于渠道倒虹吸頂部是原始河道，關(guān)于頂部回填土的性質(zhì)研究就比較粗糙，而河道倒虹吸管頂回填土的自由面為南水北調(diào)總干渠的渠底，河道倒虹吸管身四周的土體任何位置發(fā)生較大沉降都將威脅到總干渠的安全性。本文以南水北調(diào)中線工程寶豐至郟縣段肖河?xùn)|溝河道倒虹吸工程為背景，建立了管身及周圍回填土的三維有限元模型，用ANSYS有限元軟件采用理想彈塑性模型Drucker-Prager本構(gòu)關(guān)系來模擬土壤間的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系對(duì)河道倒虹吸不同工況下對(duì)周圍回填土進(jìn)行有限元分析。

1 倒虹吸計(jì)算模型

1.1 單元及材料參數(shù)的選取

倒虹吸管身采用專門適用于鋼筋混凝土材料的SOLID65單元，管身周圍回填土采用用于構(gòu)建三維實(shí)體結(jié)構(gòu)、三維8節(jié)點(diǎn)等參元SOLID45單元。管身周圍土體采用理想彈塑性模型Drucker-Prager本構(gòu)關(guān)系來模擬土壤間的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的處理方式依然采用整體式模型，配筋率采用1．05%的值沿X、Y、Z三個(gè)方向均勻彌散在整個(gè)結(jié)構(gòu)的模型當(dāng)中。具體參數(shù)見下表:

管身周圍土體的力學(xué)參數(shù)

1.2 模型邊界條件

沿笛卡爾坐標(biāo)系X=0平面切開，建立實(shí)際尺寸一半的三維有限元模型。X=0對(duì)稱面施加面對(duì)稱約束;X方向的最右側(cè)邊界施加UX位移約束;豎直方向Y軸的最下端邊界施加UY位移約束，Y軸的最上端為地表自由邊界，不施加任何約束;順?biāo)鞣较騔軸的前后邊界同樣均施加 UZ位移約束。

1.3 工況的選取

根據(jù)實(shí)際的工程水文、地質(zhì)資料，結(jié)合倒虹吸管自身與外界因素的相互作用關(guān)系，建立了三種典型的工況，分別是工況一:完建期(管道無水);工況二:河道設(shè)計(jì)水位(管道通過河道50年一遇洪峰設(shè)計(jì)流量);工況三:管道通過河道200年一遇洪峰校核流量，對(duì)管身和周圍土體進(jìn)行分析研究。

2 倒虹吸管回填土三維有限元分析

分析倒虹吸管身周圍土體沉降量大小對(duì)管頂上部渠道的影響、管身基底土體承載力值能夠滿足實(shí)際工程地基承載力要求和管身周圍土體的穩(wěn)定性。通過三種工況比較分析管身周圍土體Y向應(yīng)力以及塑性區(qū)應(yīng)力，得出管身四周回填土物理、力學(xué)參數(shù)是否能夠滿足實(shí)際工況要求。

2.1 工況一

圖1 土體Y方向應(yīng)力云圖

圖2 土體塑性區(qū)應(yīng)力分布云圖

管身周圍土體大部分都處于壓應(yīng)力狀態(tài)，自重條件下呈水平條狀分布，管身底部應(yīng)力區(qū)呈漏斗狀分布;管身兩側(cè)開挖線與基底開挖線拐彎處網(wǎng)格劃分過于尖銳，此處又是三種材料的交界處，導(dǎo)致Y向應(yīng)力圖中出現(xiàn)集中壓應(yīng)力區(qū)，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)失真現(xiàn)象，數(shù)值不予考慮;管身邊墻外側(cè)上部與土體交界處，出現(xiàn)了土體集中拉應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致土體產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，管身頂端土體的自由表面處也產(chǎn)生了塑性區(qū)，但是兩個(gè)塑性區(qū)還沒有產(chǎn)生貫通發(fā)生塑性流動(dòng)，塑性區(qū)分布如圖2所示，得出管身頂板兩端的土體穩(wěn)定性較差;由圖1土體Y方向應(yīng)力圖得出，15%水泥土承受的最大壓應(yīng)力為275KPa，泥質(zhì)砂巖承受的最大壓應(yīng)力為420KPa，兩種材料均能滿足地基承載力的設(shè)計(jì)要求。

2.2 工況二

管身周圍土體大部分都處于壓應(yīng)力狀態(tài)，管身上側(cè)回填土呈條狀分布，管身基底呈漏斗狀分布;三種材料的交界處，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)失真現(xiàn)象，數(shù)值不予考慮，15%水泥土承受的最大壓應(yīng)力為289KPa，泥質(zhì)砂巖承受的最大壓應(yīng)力為435KPa，兩種材料均能滿足地基承載力的設(shè)計(jì)要求，見圖3。管身邊墻外側(cè)上部與土體交界處，出現(xiàn)了土體集中拉應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致土體產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，管身頂端土體的自由表面處同樣產(chǎn)生了塑性區(qū)，兩個(gè)塑性區(qū)沒有產(chǎn)生相互貫通作用，管身四周土體的穩(wěn)定較差，見圖4。

圖4 土體塑性區(qū)應(yīng)力分布云圖

2.3 工況三

管身周圍土體大部分都處于壓應(yīng)力狀態(tài)，管身上側(cè)回填土呈條狀分布，管身基底呈漏斗狀分布;三種材料的交界處，計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)失真現(xiàn)象，數(shù)值不予考慮，15%水泥土承受的最大壓應(yīng)力為308KPa，泥質(zhì)砂巖承受的最大壓應(yīng)力為450KPa，兩種材料均能滿足地基承載力的設(shè)計(jì)要求，見圖5。管身邊墻外側(cè)上部與土體交界處，出現(xiàn)了土體集中拉應(yīng)力區(qū)，導(dǎo)致土體產(chǎn)生了一定范圍的塑性區(qū)，管身頂端土體的自由表面處同樣產(chǎn)生了塑性區(qū)，兩個(gè)塑性區(qū)相互貫通發(fā)生了塑性流動(dòng)，對(duì)管身四周土體的穩(wěn)定性威脅性很大，必須采用工程措施，預(yù)防這種塑性流動(dòng)的產(chǎn)生，見圖6。

3 總結(jié)

通過選取合理的有限元模型參數(shù)，建立了填土最厚位置處管身及其周圍回填土的有限元三維仿真模型。根據(jù)該位置倒虹吸結(jié)構(gòu)在實(shí)際工作運(yùn)行期間可能遇到的狀況，組合建立了三種運(yùn)行工況，利用大型通用型軟件ANSYS分別對(duì)管身及其周圍回填土進(jìn)行了非線性有限元分析，求解得出了倒虹吸管水平管段周圍回填土在三種基本工況和三種特殊工況下，X、Y方向位移和豎直方向應(yīng)力以及塑性區(qū)應(yīng)力云圖，對(duì)軟件得出的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析總結(jié)。

圖6 土體塑性區(qū)應(yīng)力分布云圖

分析得出，管身四周回填土的豎直方向沉降量大小和位置以及管身基底土體的沉降量皆滿足南水北調(diào)中線工程中的相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)要求;各種工況下，管身基底換填的15%水泥土和泥質(zhì)砂巖都滿足地基承載力設(shè)計(jì)值的要求;管身頂板兩側(cè)與回填土的交界處在第三種工況下產(chǎn)生了塑性區(qū)貫通現(xiàn)象，對(duì)管頂土體的穩(wěn)定性影響很大，為以后相關(guān)工作設(shè)計(jì)工作和施工管理工作提供了參考依據(jù)。

［1］孟慶義．長倒虹吸的模型設(shè)計(jì)［J］．北京水利，1998(06):22～25．

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［4］高子蘭．大孔徑預(yù)應(yīng)力連體式圓形倒虹吸結(jié)構(gòu)研究［D］．河北:河北工程大學(xué)，2007．

［5］段昱罡．鋼筋混凝土箱涵非線性有限元分析技術(shù)研究［D］．天津:天津大學(xué)，2004．