某輸水工程中自承式拱管跨河設(shè)計(jì)研究

肖光輝

(江西省高安市樟碧水庫管理局，江西 高安 330800)

0 引 言

自承式圓弧形拱管跨河是利用輸水鋼管自身支撐跨越河道的一種跨河交叉建筑物設(shè)計(jì)型式，具有施工方便，無需進(jìn)行水下施工(或僅有部分水下施工)，便于后期管理維護(hù)檢修等優(yōu)點(diǎn)，但在后期運(yùn)行中應(yīng)加以防護(hù)，以免遭到破壞。某輸水工程主要以水源工程及輸水管道為主，建設(shè)任務(wù)主要以解決城鎮(zhèn)生活與工業(yè)供水，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉的多用途水利工程，工程總線路長65km，水源工程新建小(2)型調(diào)蓄水庫一座，總庫容52萬m3，管道管材為鋼管，自調(diào)蓄水庫出來后采用重力自流輸水，設(shè)計(jì)流量5.52m3/s，管徑為2.4-1.2m，輸水線路沿途與河流交叉較多，經(jīng)現(xiàn)場勘查和資料搜集，在初步設(shè)計(jì)中為避開生態(tài)紅線和基本農(nóng)田，輸水干線與河流交叉28處，管道交叉處河道寬度多在15-50m，其中過縣城段河道按照20a一遇設(shè)計(jì)，50a一遇的校核洪水標(biāo)準(zhǔn)治理，過集鎮(zhèn)、村莊河道按10a一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)治理，離下游較遠(yuǎn)村莊的山區(qū)河道未治理。本工程管道為4級(jí)建筑物，管道與河道交叉建筑物設(shè)計(jì)按20a一遇的設(shè)計(jì)洪水，50a一遇的校核洪水設(shè)計(jì)，因此本輸水管道過縣城段河道交叉建筑物考慮采用自承式拱管跨越形式進(jìn)行管道跨河交叉段設(shè)計(jì)，通過跨河交叉段典型分析，為本次設(shè)計(jì)施工提供了方法和思路，并通過典型設(shè)計(jì)節(jié)約了時(shí)間，提高了工作效率。

1 自承式拱管設(shè)計(jì)

1.1 拱管布置

輸水管道在河道過縣城段與河道交叉，根據(jù)現(xiàn)有河道治理資料，河道寬度75m左右，河床沖刷深度1.5m，文章采用自承式圓弧拱管跨河設(shè)計(jì)，輸水管此段設(shè)計(jì)管徑1.8m，管內(nèi)工作壓力0.9MPa，設(shè)計(jì)跨度73.183m，為保證拱管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，矢跨比采用μ=1/8，將管徑在支墩處分開成兩根管徑為1.2m的雙管布設(shè)，中間設(shè)置橫向及縱向聯(lián)系桿，兩端支墩按照單管尺寸確定并合并成整體，支墩基礎(chǔ)埋深應(yīng)滿足防凍及沖刷深度要求，并在架空鋼管頂部設(shè)置自動(dòng)排氣閥，以防止管道產(chǎn)生顫動(dòng)而影響管道結(jié)構(gòu)安全。拱管設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格按照06S506-2《自承式圓弧形架空鋼管圖集》和CECS214-2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中有關(guān)規(guī)定布置和設(shè)計(jì)。自承式拱管設(shè)計(jì)平面布置圖及縱剖面圖如圖1、圖2所示。

基本參數(shù)：項(xiàng)目所在地基本風(fēng)壓ω0為0.35kN/m2，根據(jù)工程區(qū)氣象資料查的，工程區(qū)溫差標(biāo)準(zhǔn)值30°C，不考慮雪荷載的影響。

圖1 自承式圓弧拱管平面布置圖

圖2 自承式圓弧拱管縱剖面布置圖

1.2 基本地質(zhì)情況

河道兩岸地表全為農(nóng)田，巖性為第四系洪積層，厚度>10.5m，上部1.3-5.5m為粉質(zhì)黏土層，下部為淤泥、粉質(zhì)黏土層，局部有黏土、粉砂、砂卵礫石層呈透鏡體狀發(fā)育，局部黏土層較厚，下伏基巖埋深較大，巖性為江底河組下雜色泥巖段(K2j1)紫紅色泥巖夾鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r，沿線無斷裂、褶皺通過，地下水活動(dòng)豐富，以第四系松散層孔隙水為主，沿線無不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。工程區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，地震動(dòng)參數(shù)0.15g，屬區(qū)域構(gòu)造次穩(wěn)定區(qū)。

2 自承式拱管受力分析

2.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

自承式圓弧拱管進(jìn)行受力分析時(shí)，只需要對(duì)單管進(jìn)行受力分析，當(dāng)單管強(qiáng)度滿足要求時(shí)，雙管整體受力也滿足要求。受力分析前首先要對(duì)拱管基本參數(shù)進(jìn)行確定，文章結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地質(zhì)及水文資料等，確定基本參數(shù)見表1。計(jì)算簡圖見圖3。

圖3 計(jì)算簡圖

2.2 內(nèi)力計(jì)算

2.2.1 荷載計(jì)算

作用在輸水鋼管上的荷載主要有鋼管自重、管道內(nèi)外防腐材料重、管道內(nèi)水重、靜水壓力、風(fēng)荷載以及溫度作用、施工荷載等，計(jì)算荷載組合參照CECS214-2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中表5.2.7[1]。各種荷載計(jì)算如下：

1)圓拱平面內(nèi)沿拱軸均布的垂直荷載q：

施工荷載qi：qi=D2×2=2.444(kN/m2)；

附屬設(shè)施qt：取qt=0.5(kN/m)。

永久荷載q1：q1=1.2(qs+qt)+1.27qw=18.858(kN/m)；

可變荷載q2：q2=1.4qi=3.422(kN/m)；

垂直荷載q：q=q1+q2=22.279(kN/m)

2)垂直于拱平面沿拱軸均布的均布荷載(風(fēng)荷載)P：

P=1.4βzμsμzω0Dz

(1)

式中：ω0為基本風(fēng)壓，取值0.35kN/m2；βz、μs、μz分別為高度z處的風(fēng)振系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》得到參數(shù)值分別為1.0、0.7和1.1。

計(jì)算得到均布荷載P=0.461(jN/m)。

3)溫度變化：ΔT=30℃。

表1 自承式圓弧拱管基本參數(shù)表

2.2.2 內(nèi)力計(jì)算

輸水鋼管在各種荷載作用下，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力最大，在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)拱腳產(chǎn)生的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，主要包括沿拱軸的均布垂直荷載作用、溫度變化、水平均布風(fēng)荷載和半跨作用均布荷載四個(gè)部分，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力，計(jì)算時(shí)分別進(jìn)行計(jì)算，文章以沿拱軸的均布垂直荷載作用，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力為例進(jìn)行計(jì)算，其余部分荷載產(chǎn)生的內(nèi)力與其計(jì)算方法相同，計(jì)算公式采用CECS214-2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中計(jì)算公式，參數(shù)按照規(guī)程中附錄A-附錄D進(jìn)行選取[2]。由沿拱軸的均布垂直荷載作用，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

RAg=VAgcosφ+NAgsinφ

(6)

式中：HAg、NAg、VAg、RAg分別為拱腳處的水平推力、軸向力、剪切力和豎向反力，單位為N，正負(fù)見表2說明；MAg為拱腳處彎矩值，單位N·mm；KHg、KNg、KVg、KMg為內(nèi)力系數(shù)，取值見《設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A-附錄D；其余符號(hào)取值見文章表1設(shè)計(jì)參數(shù)表。

圖4 沿拱軸的均布垂直荷載作用下內(nèi)力圖

其余荷載作用產(chǎn)生的內(nèi)力計(jì)算方法同沿拱軸的均布垂直荷載作用，在拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力值，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 各種荷載作用下拱腳處產(chǎn)生的內(nèi)力值

2.3 強(qiáng)度復(fù)核

(7)

式中：σ為管壁截面的最大組合折算應(yīng)力，N/mm2；σθ為管壁截面的環(huán)向拉應(yīng)力，N/mm2；σx為管壁截面的縱向應(yīng)力，N/mm2；τ為管壁截面的剪應(yīng)力，N/mm2；以上各種應(yīng)力計(jì)算均按照 CECS214-2006《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，文章不再詳述，兩種不利情況下的強(qiáng)度復(fù)核結(jié)果見表3。

表3 滿跨和半跨兩種不利情況下強(qiáng)度復(fù)核結(jié)果值

經(jīng)計(jì)算，兩種工況下自承式拱管強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

自承式拱管穩(wěn)定性驗(yàn)算同強(qiáng)度復(fù)核一樣，也分為滿跨和半跨兩種不利情況，拱管在豎向和水平荷載組合作用下，對(duì)管軸平面外穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)滿足下列要求：

σ0≤f

(8)

式中：σ0為拱管穩(wěn)定性應(yīng)力，N/mm2；f為輸水鋼管的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，為 310N/mm2，公式中參數(shù)取值及計(jì)算詳見表4。

表4 自承式拱管穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果表

經(jīng)計(jì)算，兩種工況下自承式拱管穩(wěn)定性均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論及建議

新時(shí)代下的水利工程已經(jīng)不是簡單的體現(xiàn)它工程價(jià)值，而是要考慮它的美學(xué)價(jià)值以及自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，自承式拱管不僅可以充分利用地形，施工維護(hù)簡便，而且有造型美觀， 具有很高的美學(xué)價(jià)值，達(dá)到了工程與自然的和諧統(tǒng)一，體現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3]。文章結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的知識(shí)，進(jìn)行大量的內(nèi)力和結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可靠、準(zhǔn)確，篇幅所限，對(duì)自承式拱管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中矢跨比、管道壁厚、聯(lián)系桿以及支墩設(shè)計(jì)等未詳細(xì)闡述， 將在今后的文章中重點(diǎn)闡述。