鄂北水資源配置工程2016年11標暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

李會波 于 茂 常 峻 丁靖波

1 工程概況

2016年11標段是鄂北水資源配置工程中的一段關(guān)鍵性工程，位于廣水市，標段總長度16.705km（樁號217+150—233+855），包括明渠、隧洞、暗涵、渡槽、倒虹吸、水閘以及排洪建筑物、水系恢復等工程。

暗涵采用C25混凝土箱涵型式，設(shè)計流量為7.4m3/s，設(shè)計縱坡1∶9600，采用單孔，孔寬3.8m，暗涵建筑物級別為3級，環(huán)境類別2類，設(shè)計洪水標準采用30年一遇，校核洪水標準采用100年一遇。本工程涉及的暗涵共0.99km，暗涵基本特征表見表1。

表1 暗涵基本特征表

2 地質(zhì)條件

葉家灣暗涵和余店（團結(jié)村）暗涵涵基坐落于震旦-青白口系岔河組（Z2c）強風化-弱風化鈉長片巖，納長片巖承載力特征值為550～2800kPa。

回龍寺暗涵和雙河村暗涵涵基坐落在震旦-青白口系隨縣群垸子灣組（（Qn-Z1）y）強-微風化絹云納長片巖上，其承載力特征值為450～2600kPa。

南沖灣暗涵涵基分別座落在第四系全新統(tǒng)沖積堆積（Q4al）黏土層和震旦-青白口系隨縣群垸子灣組（（Qn-Z1）y）強風化絹云納長片巖上，黏土承載力特征值為230kPa，絹云納長片巖承載力特征值為450kPa。

孔隙水分布于第四系松散堆積物中，按照埋藏條件可分為上層滯水、包氣帶水和潛水。包氣帶水分布于襄棗盆地中的膨脹土中。上層滯水則主要賦存于包氣帶中的局部弱含水層中。潛水主要分布于引水線路下段的沖溝、河谷等地帶的松散砂性土、砂及砂卵石層中。

基巖裂隙水分布于基巖裂隙中。盆地和平原區(qū)則埋藏在松散堆積物以下。

3 暗涵優(yōu)化原則

在前階段進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，暗涵的地面高程統(tǒng)一采用一種最大埋深的高程進行計算。此次優(yōu)化設(shè)計根據(jù)地面高程的變化，對暗涵結(jié)構(gòu)在實際埋深情況下采用分段設(shè)計，對不同段最大裂縫寬度允許值采用0.3mm設(shè)計，優(yōu)化襯砌斷面厚度，優(yōu)化配筋，減少低埋深情況下襯砌斷面的厚度，節(jié)約工程量。

4 暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 計算條件

本工程暗涵段埋深變化范圍較大，埋深0～22m。因此，根據(jù)不同條件，分埋深計算暗涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力，合理確定，優(yōu)化截面尺寸，對工程安全及節(jié)省工程投資都十分必要。以下為按暗涵頂板埋深不同進行的分組，暗涵結(jié)構(gòu)比選體型分類表見表2。

（1）埋深0～5m，按照頂板以上5m埋深進行計算；比選體型為A1型和A2型。

（2）埋深5～10m，按照頂板以上10m埋深進行計算；比選體型為B1型和B2型。

（3）埋深10～15m，按照頂板以上15m埋深進行計算；比選體型為C1型。

（4）埋深15～22m，按照頂板以上22m埋深進行計算；比選體型為D1型。

表2 暗涵結(jié)構(gòu)比選體型分類表 m

暗涵為單孔C25混凝土箱型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)鋼筋采用Ⅲ級鋼筋，不同埋深下底板、頂板及側(cè)墻厚度不同。開挖臨時邊坡巖基采用1∶0.75，覆蓋層1∶1.5。施工完畢后回填土至原地面高程。

各計算斷面處地下水水位取地面以下2m。

4.2 計算工況及荷載組合

本次計算選取的計算工況暗涵結(jié)構(gòu)的荷載組合見表3。

表3 暗涵結(jié)構(gòu)的荷載組合

4.3 計算荷載及計算參數(shù)

4.3.1 計算荷載

作用在暗涵結(jié)構(gòu)上的荷載有結(jié)構(gòu)自重、土壓力、車輛荷載、外水壓力、內(nèi)水壓力、地基支承反力等。

4.3.1.1 結(jié)構(gòu)自重

沿管身縱向取1.0m長作為計算單元進行計算，鋼筋混凝土容重取25kN/m3。

4.3.1.2 土壓力

土壓力分為鉛直土壓力和側(cè)向土壓力。側(cè)向土壓力按靜止土壓力計算；對于地面下暗涵斷面，鉛直土壓力和側(cè)向土壓力按溝埋式計算土壓力。

4.3.1.3 汽車荷載

按照JTGD60—2004《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》的規(guī)定，一般暗涵的堤頂行車道路多為交通量小、重型車少的非等級公路，在計算汽車荷載時，可按車輛荷載的0.7倍考慮。計算暗涵頂上車輛荷載引起的豎向土壓力時，車輪按其著地面積的邊緣向下左30°分布，一般最不利的車輛荷載多是一個汽車的后軸重力單獨作用于洞頂之上，后軸重力標注值取2×140kN。4.3.2 計算參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)專業(yè)資料，本次計算采用參數(shù)見表4。

表4 暗涵計算參數(shù)表

4.4 計算方法

暗涵結(jié)構(gòu)計算采用結(jié)構(gòu)的邊值問題及數(shù)值解法，將暗涵結(jié)構(gòu)的計算簡化為非線性常微分方程組的邊值問題，采用初參數(shù)數(shù)值解法，并結(jié)合結(jié)構(gòu)的型式及荷載特點，以計算結(jié)構(gòu)在各主動荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布。

4.5 計算結(jié)果

以計算條件中第2組為例，埋深5～10m，按照頂板以上10m埋深進行計算。選取B1型和B2型2種暗涵分別計算比選，B1型暗涵底板厚0.4m，頂板厚0.4m，側(cè)墻厚0.4m和B2型暗涵底板厚0.5m，頂板厚0.6m，側(cè)墻厚0.6m。

4.5.1 內(nèi)力計算

受力情況如圖1～4所示；暗涵結(jié)構(gòu)受力統(tǒng)計見表5。

圖3 B2型暗涵軸力圖（單位：kN）

圖4 B2型暗涵彎矩圖（單位：kN?m）

4.5.2 配筋計算

綜合考慮結(jié)構(gòu)運行期及檢修期內(nèi)的受力特征，分別對暗涵B1型、B2型的底板、頂板和側(cè)墻進行配筋計算，并對構(gòu)件典型斷面上的裂縫寬度進行驗算。計算結(jié)果見表6、7。

表6 B1型暗涵配筋及裂縫驗算成果

表7 B2型暗涵配筋及裂縫驗算成果

根據(jù)以上計算結(jié)果可以看出，B1體型雖然側(cè)墻及底板厚度降到0.4m，但在內(nèi)外荷載的組合作用下結(jié)構(gòu)配筋率較大；B2體型底板厚度0.5m，側(cè)墻、頂板厚度0.6m，較B1體型厚度稍有增加，但結(jié)構(gòu)配筋率下降明顯。綜合結(jié)構(gòu)安全及鋼筋混凝土工程量等方面因素，此段暗涵推薦體型采用B2體型。

綜上所述，暗涵標準段（10m）頂板、側(cè)墻襯砌厚度可以由0.8m減至0.6m，底板襯砌厚度可以由0.8m減至0.5m，總計減少暗涵混凝土44.91m3。結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程量比較見表8。

表8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程量比較

4.5.3 優(yōu)化后體型

根據(jù)以上優(yōu)化過程，分別對本標段內(nèi)不同埋深的暗涵結(jié)構(gòu)進行計算后，得出暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化后體型表，見表9。

表9 暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化后體型表 m

5 結(jié)語

（1）本標段暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化后總共可以節(jié)省鋼筋混凝土7595.3m3，鋼筋871t。

（2）本文結(jié)合鄂北工程暗涵結(jié)構(gòu)的典型工程實例，根據(jù)地形地質(zhì)條件，地下水情況，在保證過水斷面不變的情況下，優(yōu)化襯砌厚度，節(jié)約了工程投資，具有明顯的經(jīng)濟效益。該工程目前正在實施階段，為類似EPC項目優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考價值。