地下水位變化對箱型倒虹吸結構影響的分析

楊 鋒

水利工程所處環(huán)境復雜，邊界條件多變，在進行結構設計過程中，受諸多條件限制，需要選定幾種控制性的邊界條件進行分析，如何選好控制性邊界條件是決定工程成敗的關鍵。本文以南水北調(diào)中線一期工程總干渠南沙河倒虹吸工程為例，重點分析了地下水位變化對倒虹吸管結構應力的影響，供類似工程參考。

1. 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程南沙河倒虹吸工程位于河北省沙河市高店村東北2km處的南沙河上，工程由南段倒虹吸、中間明渠、北段倒虹吸組成，全長4335m，倒虹吸為1級建筑物，設計流量 230m3/s，加大流量 250m3/s，防洪標準為100年一遇洪水設計，300年一遇洪水校核。建筑物區(qū)在勘探深度范圍內(nèi)揭露地層全部為第四系，卵石含水層厚度約10m，頂板裸露于地表，平均滲透系數(shù)為 6.4×10-2cm/s，屬強透水性，其下部為弱透水地層，地下水位高于倒虹吸管頂面，地下水位變幅1.9～7.5m。

倒虹吸管身為預應力混凝土箱型結構，倒虹吸管為3孔一聯(lián)，單孔過水斷面尺寸6.6×6.5m，底板、頂板及邊墻厚度均為1.0m，中墻厚度為0.8m，混凝土強度等級C40，采用橫向和豎向雙向預應力，預應力筋采用1860級鋼絞線。

2. 計算方案

倒虹吸工程所處河段地下水位變幅較大，為分析地下水位變化對倒虹吸管結構的影響，擬定最高地下水位和最低地下水位兩種方案進行對比分析，每種方案均包含倒虹吸完建、正常輸水、倒虹吸中孔、邊孔檢修、洪水沖刷管頂土等5種計算工況。

3. 計算方法

3.1 荷載計算

倒虹吸結構應力分析主要荷載有結構自重、管頂土重、側(cè)向土壓力、內(nèi)外水壓力，荷載計算按照《水工建筑物荷載設計規(guī)范》的規(guī)定計算，此外，還考慮溫度和邊荷載的作用。

3.2 內(nèi)力及應力計算

倒虹吸管預應力結構為彈性地基上的框架，采用單元有限元方法計算，將地基反力用彈性連桿模擬，利用軟件進行分析。結構計算采用常規(guī)的位移法進行，即先形成單元剛度矩陣，經(jīng)坐標轉(zhuǎn)換后形成總剛度矩陣，形成荷載右端項，求解結構位移列陣，據(jù)此得到節(jié)點位移、單元內(nèi)力以及支撐反力。在此基礎上考慮施工階段，采用增量理論，逐步推進，逐步累計，獲得最終結構效應。

抗裂驗算按《水工混凝土結構設計規(guī)范》有關規(guī)定控制。截面抗裂驗算：

本工程倒虹吸處于有侵蝕性地下水的地下環(huán)境，屬三類環(huán)境類別，按嚴格不出現(xiàn)裂縫的構件控制。在荷載效應的短期組合下，σcs-σpc≤0。 截面抗裂驗算：混凝土主拉應力 σtp≤0.85ftk，混凝土主壓應力 σcp≤0.60ftk。

受篇幅限制，本文將計算成果從略。

4. 成果分析

4.1 倒虹吸正常輸水工況

對比分析最高地下水位和最低地下水位兩種情況，應力變化趨勢相同，低地下水位的應力狀況較差。兩種情況下出現(xiàn)拉應力的部位均為倒虹吸邊墻底部，低水位情況拉應力略小，其他部位的壓應力略小于高水位情況，低水位結構受力狀況略好一些。

4.2 管頂土被洪水沖至管頂工況

低地下水位方案除立墻外，頂板和底板均出現(xiàn)拉應力，高地下水位方案倒虹吸結構全斷面受壓，此計算工況下外水位升高有利。由此可知，隨著管外側(cè)荷載的減少，結構變得更加不利，此時，影響結構受力的主要因素是管內(nèi)的內(nèi)水壓力。

4.3 倒虹吸孔檢修和完建工況

倒虹吸兩邊孔檢修的計算成果是，高地下水位時，頂板和中墻均為壓應力，邊墻和底板均出現(xiàn)拉應力；低地下水位時，底板和中墻均為壓應力，邊墻拉應力略低，頂板出現(xiàn)拉應力。

倒虹吸中孔檢修的計算成果是，高地下水位時，頂板和底板均為壓應力，邊墻和中墻均出現(xiàn)拉應力；低地下水位時，底板為壓應力，頂板出現(xiàn)拉應力，邊墻拉應力略低，中墻拉應力增大。

完建工況計算成果是，高地下水位時，僅中墻為全斷面受壓，其余構件均出現(xiàn)拉應力；低地下水位時，中墻壓應力降低，邊墻和底板拉應力得到改善，頂板拉應力增大。

根據(jù)倒虹吸管兩邊孔檢修、中孔檢修和完建3種工況的計算成果分析，隨著倒虹吸管外地下水位出現(xiàn)較大幅度變化，其對管身各構件的影響出現(xiàn)無規(guī)律的變化。

5. 結論

通過以上分析計算，可以看出地下水位的變化對倒虹吸應力的影響較為復雜，當河道地下水位由最高水位變?yōu)樽畹退粫r，倒虹吸管身的底板、邊墻、底板和中墻等構件的應力狀況呈現(xiàn)無規(guī)律的變化。因此，在對倒虹吸管進行應力驗算時，不能片面認為管道外側(cè)作用取值大或小有利，應針對結構中不同構件，選取不同的荷載組合進行分析。

另外，本文僅以地下水位變化來分析其對倒虹吸結構的影響，實際上影響結構分析的外界條件還有很多，故在進行結構分析時，應根據(jù)結構受力的實際情況，綜合分析其受力的特點，對影響結構的各種因素進行細致的分析，將對結構產(chǎn)生不利或有利的因素加以區(qū)別對待，合理擬定邊界條件，進而保證工程安全。