白甫河倒虹管管道設(shè)計(jì)

吳 鴻，吳浩然，程明偉

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 工程概況

白甫河倒虹管位于貴州省夾巖水利樞紐北干渠上，是跨度最大的一座倒虹管。位于樁號(hào)“北干渠20+359.594”至“北干渠21+490.835”段。進(jìn)口接水打橋隧洞，出口接長(zhǎng)石板隧洞，跨河位置為白甫河羅多河段，處于洪家渡水庫(kù)庫(kù)尾，跨河位置地形為狹窄“V”字型深斜向河谷?？绾咏ㄖ飯?chǎng)區(qū)范圍內(nèi)基巖大部裸露，根據(jù)實(shí)地地質(zhì)調(diào)繪和鉆孔資料，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層巖性自上而下依次為：覆蓋層、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第四段(T1yn4)、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第三段(T1yn3)、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第二段(T1yn2)、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組第一段(T1yn1)。

白甫河壓力鋼管總長(zhǎng)1182.282 m，采用雙管布置，由上游水平段埋管、上游豎井段埋管、上游隧洞段埋管、跨河拱橋段明管，下游隧洞段埋管、下游豎井段埋管、下游水平段埋管段組成。主管管徑3100 mm，設(shè)計(jì)最大工作壓力1.2 MPa。

倒虹管在進(jìn)口上平段中部、明管上下游分別設(shè)置進(jìn)人孔，在明管起點(diǎn)處設(shè)置放空管；在對(duì)應(yīng)拱圈起拱、拱頂位置分別設(shè)置單式鉸鏈型伸縮節(jié)，在1/4拱圈位置設(shè)置復(fù)式鉸鏈型伸縮節(jié)；鋼管設(shè)計(jì)合攏溫度15～20 ℃。

白甫河倒虹管從大方縣馬場(chǎng)鎮(zhèn)鼠場(chǎng)鄉(xiāng)大營(yíng)盤村寨附近跨越洪家渡庫(kù)區(qū)白甫河河段，建筑物長(zhǎng)1152 m，走向N44°E；下伏地層均為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組地層。白甫河倒虹管進(jìn)口岸埋管段出露巖性為T1yn3+4灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖及溶塌角礫巖等，進(jìn)口岸豎井及隧洞段穿越巖性為T1yn3灰?guī)r，跨河管橋段出露巖性為T1yn1+2+3灰?guī)r、泥巖及泥灰?guī)r等，出口岸豎井及隧洞段穿越巖性為T1yn2+3灰?guī)r、泥巖及泥灰?guī)r等，出口岸埋管段出露巖性為T1yn3灰?guī)r；工程區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)-黔滇臺(tái)隆-遵義斷拱(I1A)-畢節(jié)北北東向構(gòu)造變形區(qū)內(nèi)，線路走向與構(gòu)造線夾角10°～30°，未發(fā)現(xiàn)區(qū)域性活斷層存在，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度<0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期值0.35 s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度。

場(chǎng)地屬可溶巖分布區(qū)，以T1yn3、T1yn1灰?guī)r為主，為強(qiáng)透水層，地表溶溝溶槽較發(fā)育，地下發(fā)育溶隙小管道、巖溶管道等，地下水埋藏較深，接近庫(kù)水位高程。大氣降水多沿裂隙、溶隙滲入地下，以溶隙、溶洞泉的形式補(bǔ)給地表水。倒虹管從洪家渡庫(kù)區(qū)正常蓄水位1140 m以上跨越河谷，倒虹管鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)、豎井及隧洞均位于地下水位以上。

白甫河倒虹管所處位置1961—1990年主要?dú)庀筇卣髦蹬c各月平均氣溫見(jiàn)表1、表2。

表1 主要?dú)庀筇卣髦当?1961—1990年)

表2 各月平均氣溫(1961—1990年)

2 倒虹管設(shè)計(jì)

2.1 總體布置分析

白甫河倒虹管分上平段、豎井段、隧洞段、跨河明管段，倒虹管上平段為普通混凝土包管段，豎井段、隧洞段采用混凝土包管方式，管橋段為明管鋪設(shè)于橋面，明管布置為2跨18 m+15跨12.8 m+4跨18 m。布置示意圖如圖1所示。

圖1 白甫河倒虹管布置示意圖

2.2 倒虹管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道上平段、隧洞段為普定混凝土包管方式，豎井內(nèi)管道采用混凝土包管的方式，為防止高壓地下水(主要是巖溶管道滲水)破壞，在管道周邊布置8道φ100軟式排水管，每1 m間距布置1道。豎井隧洞管道布置見(jiàn)圖2。

為保證管橋拱圈受力均勻，明管段支墩均設(shè)置于排架頂部對(duì)應(yīng)位置，根據(jù)白甫河拱橋計(jì)算成果，白甫河管橋拱圈受自重荷載、溫度變化、拱圈徐變等影響，拱圈在不同工況下產(chǎn)生向上或向下的位移；因拱圈及拱圈上排架設(shè)置為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故僅導(dǎo)出半拱排架位移成果，見(jiàn)表3。

圖2 豎井隧洞管道布置

荷載工況排架變形位移/m3#4#5#6#7#8#9#拱頂自重荷載+徐變-0.006-0.018-0.047-0.080-0.151-0.200-0.137-0.188溫升0.0020.0090.0170.0250.0320.0370.0400.040溫降-0.003-0.010-0.018-0.027-0.035-0.040-0.043-0.044荷載+徐變+溫升-0.004-0.009-0.030-0.055-0.119-0.163-0.097-0.148荷載+徐變+溫降-0.009-0.028-0.065-0.107-0.186-0.240-0.180-0.232

從表3可以看出，最不利工況下，8#排架向下位移達(dá)0.24 m，靠鋼管本身難以承受如此大的變形量，需采取相應(yīng)措施；采用在位移開(kāi)始的2#～3#排架間及拱橋中心位置設(shè)置單式鉸鏈型伸縮節(jié)[1]，在位移最大的7#～8#排架間設(shè)置復(fù)式鉸鏈型伸縮節(jié)[1]以適應(yīng)變形及切向剪切。設(shè)置伸縮節(jié)后，各排架節(jié)點(diǎn)變形量見(jiàn)圖3。

設(shè)置了伸縮節(jié)以應(yīng)對(duì)管橋變形后，鋼管承受的最大變形附加應(yīng)力大大減小。

2.3 管道應(yīng)力計(jì)算

對(duì)設(shè)置伸縮節(jié)后的鋼管采用有限元進(jìn)行應(yīng)力分析，由于伸縮節(jié)位移補(bǔ)償量足夠中和伸縮節(jié)相鄰兩管段之間相對(duì)位移，因此管道兩端可視為自由端[2]；支撐環(huán)與底座之間采用摩爾-庫(kù)倫摩擦模型設(shè)置摩擦接觸，模擬由于管道溫度變化致使支撐環(huán)與底座之間的相對(duì)滑移。

圖4為明管整體計(jì)算模型，壓力鋼管、支撐環(huán)、加勁環(huán)以及加勁環(huán)底座均采用四節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元及少量三節(jié)點(diǎn)三角形殼單元模擬。

2.3.1 管道整體應(yīng)力

根據(jù)鋼管規(guī)范的規(guī)定，壓力鋼管各計(jì)算點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)按照第四強(qiáng)度理論[3]進(jìn)行校核，應(yīng)力成果以管道m(xù)ise應(yīng)力云圖的形式表現(xiàn),如圖5所示。

圖3 明管節(jié)點(diǎn)變形量

圖4 明管計(jì)算模型

圖5 管道Mise應(yīng)力云圖(單位：Pa)

根據(jù)有限元計(jì)算后，等效應(yīng)力(Mise應(yīng)力)最大值出現(xiàn)在鋼管6#支撐環(huán)位置，最大值為176.1 MPa。其次，管道在4#支撐環(huán)處應(yīng)力較大，為135.65 MPa。

管橋豎向位移在6#支撐環(huán)及4#支撐環(huán)處產(chǎn)生明顯拐點(diǎn)，導(dǎo)致鋼管在6#支撐環(huán)及4#支撐環(huán)附近產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，因此鋼管在6#支撐環(huán)及4#支撐環(huán)附近應(yīng)力較大。同時(shí)，由于6#支撐環(huán)及7#支撐環(huán)位移差值明顯大于4#與5#支撐環(huán)位移差值，從而導(dǎo)致鋼管在6#支撐環(huán)處應(yīng)力值最大。

鋼管應(yīng)力最大值位于6#支撐環(huán)附近，此范圍為承受彎矩和軸力的局部應(yīng)力區(qū)域，根據(jù)規(guī)范要求，考慮到焊縫缺陷，鋼管等效應(yīng)力最大值為176.1 MPa，小于鋼管允許應(yīng)力值248.63 MPa[3]，滿足規(guī)范要求。

2.3.2 管道局部應(yīng)力

壓力鋼管應(yīng)力最大值出現(xiàn)在6#排架支撐排架環(huán)附近，因此，以6#支撐環(huán)與7#支撐環(huán)間管段為研究對(duì)象進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核。

由圖6、表4可知各剖面最大應(yīng)力發(fā)生在剖面底部，這是由于受到管橋不均勻變形的影響，管道呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，因此管道下部應(yīng)力明顯大于管道上部應(yīng)力。其中跨中管壁(1-1剖面)應(yīng)力值為132.4 MPa，支撐環(huán)旁膜應(yīng)力邊緣區(qū)(2-2剖面)應(yīng)力為151.4 MPa，對(duì)于膜應(yīng)力區(qū)[3]，其允許應(yīng)力值為0.90[σ]=0.90×0.55σs=160.88 MPa，滿足規(guī)范要求。加勁環(huán)及其旁管壁(3-3剖面)和支撐環(huán)及其管壁應(yīng)力(4-4剖面)值分別為154.8 MPa、176.1 MPa，對(duì)于3-3及4-4剖面，此處屬于局部應(yīng)力范圍，允許應(yīng)力[1]值為0.90[σ]=0.90×0.85σs=248.63 MPa，滿足規(guī)范要求[4]。

表4 不同剖面應(yīng)力極值表 MPa

圖6 壓力鋼管局部應(yīng)力

3 結(jié) 語(yǔ)

明管設(shè)置于管橋時(shí)，靠管道本身難以抵抗管橋沉降、變形帶來(lái)的附加應(yīng)力，本次研究采用伸縮節(jié)對(duì)豎向變形位移進(jìn)行補(bǔ)償，使之對(duì)鋼管的影響減小，采用相對(duì)較低強(qiáng)度的鋼管以節(jié)約投資。