倒虹吸管結(jié)構(gòu)安全復(fù)核與過流能力計(jì)算分析

勞沈回

（開平市鎮(zhèn)海水庫，廣東 開平 529341）

1 工程概況

辜家壩倒虹吸管是眉山市重要的渠系建筑物，于1972年建成通水，灌溉仁壽、東坡、彭山3縣（區(qū)）8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)46個(gè)村，位于眉山市紅光支渠，幅員面積119.7km2，是具有灌溉、工業(yè)及生活用水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、提引相結(jié)合的綜合利用效益的水利工程，是該地區(qū)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。本工程設(shè)計(jì)流量等于2.5m3/s，建筑物級別為5級，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇。

辜家壩倒虹吸管管身類型為圓形現(xiàn)澆鋼筋混凝土管，采用延原地面線布置敷設(shè)，倒虹吸管進(jìn)口段沉砂池，2013年安裝布置攔污柵及清污門機(jī)。清污門機(jī)正常運(yùn)行，出口段消力池均為砂漿條石砌筑，漸變段與渠道平順銜接，圓形現(xiàn)澆鋼筋砼管的管內(nèi)直徑1.2m，內(nèi)圈長3.77m，管身壁厚0.20m，原鋼筋砼抱箍寬度33cm，厚度15cm，管道基底設(shè)計(jì)為10cm的C10混凝土，平行段管床為漿砌石剛性管床。在低洼處設(shè)一處沖沙兼放空井室，沖砂井室尺寸3.65m×2.8m×2.2m（長×寬×高）。管道在地形變坡、平面轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩，管座采用混凝土剛性管座，跨河處采用四榀漿砌石重力支墩及管橋明管跨越，支墩基礎(chǔ)置于基巖或砂卵礫石層上。進(jìn)口下行管長度約356m，平行管長度約200m，上行管長度約112m。

辜家壩倒虹吸管始建于上世紀(jì)70年代，運(yùn)行至今近50年，超過《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 654-2014）[1]規(guī)定合理使用運(yùn)行年限。早期建設(shè)時(shí)受建設(shè)時(shí)歷史環(huán)境和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件制約，工程設(shè)計(jì)與建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，施工質(zhì)量較差，經(jīng)過多年運(yùn)行及自然老化，環(huán)境侵蝕、自然災(zāi)害等問題，工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、變形、應(yīng)力應(yīng)變及支護(hù)受力等不斷劣化，混凝土結(jié)構(gòu)存在不同程度的磨損、老化、開裂、腐蝕的不利狀態(tài)。在經(jīng)歷了外界條件長期影響后，長期帶病運(yùn)行，存在混凝土剝落、裂縫、漏水、鋼筋銹蝕外露、粗骨料外露等安全隱患。整體功能下降，防洪功能嚴(yán)重不足，灌區(qū)灌溉保證率降低，灌區(qū)效益逐年衰減，嚴(yán)重阻礙和約束工程效益的發(fā)揮和水資源可持續(xù)有效利用，不利工程安全輸水，同時(shí)也造成了水資源的極大浪費(fèi)。

因此，有必要對該倒虹吸管進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全復(fù)核與穩(wěn)定計(jì)算評價(jià)分析，及時(shí)掌控倒虹吸管的健康狀態(tài)，為后期工程正常運(yùn)行和維修加固設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

2 工程地質(zhì)條件

辜家壩倒虹吸管工程區(qū)地貌以平原為主，間有淺丘臺(tái)地。平原地勢起伏不大，由西北向東南傾斜，淺丘臺(tái)地分布于東南及西南部，河渠密布，河流及古河道紛繁，平原內(nèi)部形成相對較低的洼地及平行河流的壟崗狀高地，相對高差小于2.0m，使平原具“大平小不平”的特點(diǎn)[2]。

工程區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，無大斷裂通過。工程址區(qū)周邊（近場區(qū)）斷裂的活動(dòng)性和地震活動(dòng)性均較微弱，歷史上未發(fā)生過強(qiáng)烈地震，屬相對穩(wěn)定區(qū)域。工程區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性主要受外圍龍門山斷裂帶和龍泉山斷裂帶地震活動(dòng)控制（地質(zhì)構(gòu)造與地震震中分布圖）。按《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015），查得項(xiàng)目區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45s，對應(yīng)的地震烈度為Ⅶ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差。工程區(qū)巖、土物理力學(xué)指標(biāo)建議數(shù)據(jù)見表1。

表1區(qū)內(nèi)巖土物理力學(xué)特性主要參數(shù)建議值

3 倒虹吸管管身結(jié)構(gòu)復(fù)核計(jì)算及分析

倒虹吸管管身采用C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)?；炷凛S心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck取16.7N/mm2，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck取1.78N/mm2，軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft取11.9N/mm2，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ft取1.27N/mm2，彈性模量Ec取2.8×104N/mm2，容重r取2500kN/m3。

根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》SL654-2014[1]的規(guī)定，本倒虹吸管的合理使用年限為50年，目前已經(jīng)達(dá)到50年。根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，倒虹吸管管身典型橫斷面尺寸如下圖1所示。倒虹吸管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算荷載組合見表2。

圖1 倒虹吸管標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：cm）

3.1 橫向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

倒虹吸管橫向按照封閉圓環(huán)型結(jié)構(gòu)計(jì)算，倒虹吸管管身屬于厚壁管按照彈性力學(xué)平面問題計(jì)算，除在均勻內(nèi)（外）水壓力作用時(shí)按照彈性力學(xué)方法計(jì)算外，對于由其他荷載引起的內(nèi)力按彈性中心法求解[3-8]。

倒虹吸管采用C25鋼筋砼，橫向鋼筋采用HRB335，經(jīng)查詢原設(shè)計(jì)配筋ф12@150，實(shí)配As=758mm2，按照鋼筋截面損失率20%計(jì)算As=606mm2。從表3可知，在受力鋼筋面積不折減的情況，倒虹吸管橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。但由于該水工建筑物始建于上世紀(jì)七十年代，受建設(shè)時(shí)歷史環(huán)境和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件制約，工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低，年久失修，淤積、老損和滲水嚴(yán)重，長期帶病運(yùn)行，存在混凝土剝落、裂縫、漏水、鋼筋銹蝕外露、粗骨料外露等安全隱患，建議將受力鋼筋截面積折減20%再進(jìn)行復(fù)核，此時(shí)，正常運(yùn)行工況下橫向結(jié)構(gòu)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)場檢測，倒虹吸管管身存在大量的混凝土剝落，鋼筋外露嚴(yán)重。鋼筋面積折減20%更能反應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際情況。以上說明倒虹吸管管身橫向強(qiáng)度復(fù)核在根據(jù)折減情況下不滿足規(guī)范要求。

表2管身荷載組合統(tǒng)計(jì)

3.2 縱向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

倒虹吸管水平段總長約40m，為架空跨路段，按照簡支梁對倒虹吸管進(jìn)行驗(yàn)算。正常運(yùn)行時(shí)荷載包括水重、自重，空管運(yùn)行時(shí)為自重，由于是架空段無人行板，不考慮均布活載。

表3鋼筋面積不折減計(jì)算對比成果

表4鋼筋面積折減計(jì)算對比成果

由圖2和圖3計(jì)算結(jié)果可以看出正常運(yùn)行情況最大負(fù)彎矩558.397，空管運(yùn)行時(shí)最大負(fù)彎矩414.998。本次截面按受彎構(gòu)件進(jìn)行承載力和配筋驗(yàn)算。

圖2 正常運(yùn)行情況彎矩包絡(luò)圖（單位kN·m）

圖3 空管情況彎矩包絡(luò)圖（單位kN·m）

倒虹吸管采用C25鋼筋砼，縱向鋼筋采用HRB335，原設(shè)計(jì)配筋ф16@150，實(shí)配As=1 407mm2，按照鋼筋截面損失率20%計(jì)算As=1126mm2。

表5鋼筋面積不折減計(jì)算對比成果

表6鋼筋面積折減計(jì)算對比成果

從上表5和表6可知，在受力鋼筋面積不折減的情況，倒虹吸管縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。在受力鋼筋面積折減20%的情況下，正常運(yùn)行工況下縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)場檢測，倒虹吸管管身存在大量的混凝土剝落，鋼筋外露嚴(yán)重。鋼筋面積折減20%更能反應(yīng)現(xiàn)場實(shí)際情況。綜上，倒虹吸管管身縱向強(qiáng)度復(fù)核在根據(jù)折減情況下不滿足規(guī)范要求。

4 倒虹吸管過流能力復(fù)核

《根據(jù)水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》SL654-2014的規(guī)定，本項(xiàng)目合理使用年限為50年，目前已經(jīng)接近或達(dá)到50年。倒虹吸管槽身水流為壓力管流，倒虹吸管內(nèi)的水流為壓力管流，過水能力可按壓力管道公式計(jì)算，計(jì)算計(jì)算公式如下[9]：

式中：Q為倒虹吸設(shè)計(jì)流量，以m3/s計(jì)；ω為倒虹吸管過水?dāng)嗝婷娣e，以m2計(jì)；μ為流量系數(shù)，無因次量與管內(nèi)沿程摩擦損失及局部阻力損失有關(guān)；ξf為沿程阻力系數(shù)；∑ξj為局部阻力系數(shù)之和，其中ξ攔柵=β*（s/b）3/4*sina；L為管道全長，以m計(jì)；D0為圓管內(nèi)徑，以m計(jì)；hf為沿程水頭損失，以m計(jì)；Hj為局部水頭損失，以m計(jì)；v為管內(nèi)平均流速，以m/s計(jì)；g為重力加速度，以m/s2計(jì)；λ為能量損失系數(shù)，λ=8g/C2；C為謝才系數(shù)，m1/2/s。

通過查詢倒虹吸管的局部水頭損失進(jìn)行取值；已知管的縱向布置和軸線長、斷面尺寸和水頭損失，驗(yàn)算過水能力。根據(jù)確定的參數(shù)進(jìn)行虹吸管過流能力復(fù)核，計(jì)算結(jié)果見表7。由計(jì)算成果可以看出，倒虹吸管最大過流能力為2.69m3/s，大于設(shè)計(jì)加大流量2.5m3/s，則本倒虹吸管能按照目前設(shè)計(jì)流量進(jìn)行輸水。

表7倒虹吸管過流能力復(fù)核成果

5 結(jié)論

本文以老舊倒虹吸管為研究對象，定量計(jì)算了該倒虹吸管在基本組合和偶爾組合的運(yùn)行工況下的管身結(jié)構(gòu)的縱向、橫向結(jié)構(gòu)穩(wěn)定以及過流能力，得到以下結(jié)論：

（1）在受力鋼筋面積不折減的情況，倒虹吸管橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。但考慮混凝土剝落、裂縫、漏水、鋼筋銹蝕外露、粗骨料外露等安全隱患時(shí)，受力鋼筋截面積折減20%后，正常運(yùn)行工況下橫向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；

（2）在受力鋼筋面積不折減的情況，倒虹吸管縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。在受力鋼筋面積折減20%的情況下，正常運(yùn)行工況下縱向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（3）倒虹吸管最大過流能力為2.69m3/s，大于設(shè)計(jì)加大流量2.5m3/s，則本倒虹吸管能按照目前設(shè)計(jì)流量進(jìn)行輸水。