大跨度輸水鋼管倒虹吸變形協(xié)調(diào)分析

張朋軍，王瑞斌，王章耀

（1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

隨著大型引水調(diào)水工程的實(shí)施，如南水北調(diào)工程、滇中引水工程等，倒虹吸結(jié)構(gòu)因其輸水能力強(qiáng)和隱蔽性好而被廣泛用于水利交叉工程。倒虹吸管道結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變與結(jié)構(gòu)規(guī)模尺寸大小、回填土的特性等因素存在著復(fù)雜的聯(lián)系。針對這一問題，胡鈞濤[1]就兩種管身材料推導(dǎo)出水壓作用下單管倒虹吸的內(nèi)力及變形計(jì)算公式，但未對三維倒虹吸結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)進(jìn)行分析，且僅考慮水壓對結(jié)構(gòu)變形的影響。石長征[2]考慮復(fù)雜土質(zhì)條件和不同支座形式，對剛體-地基的相對錯(cuò)動進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鋼管連接處的支座對地基不均勻變位有利。曾蜜蜜[3]以斜拉倒虹吸鋼管工程為例，選用不同邊界條件對鋼管進(jìn)行內(nèi)力分析，為此類工程提供了一定的施工依據(jù)。

目前，已有許多學(xué)者[4-7]對管體材料為混凝土的倒虹吸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到薄弱部位的位移及內(nèi)力響應(yīng)值，為下一步的施工提供了重要的參照依據(jù)。石艷柯[8]建立三管一聯(lián)倒虹吸結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模型，綜合考慮地質(zhì)分層及水壓等對結(jié)構(gòu)的影響，對管體和管節(jié)變形進(jìn)行了詳盡的分析，得到合理的管節(jié)長度，為待建工程的進(jìn)一步施工提供了參考。劉可定[9]對溝埋式鋼管倒虹吸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了變形協(xié)調(diào)計(jì)算，驗(yàn)證了該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

對于管體材料為混凝土的倒虹吸結(jié)構(gòu)已開展較多研究，但目前大多數(shù)倒虹吸結(jié)構(gòu)為暗埋式，對于明式鋼管倒虹吸結(jié)構(gòu)的研究較少。因此，本文以某大跨度大直徑鋼管的觀音山倒虹吸結(jié)構(gòu)為背景，建立管身-鎮(zhèn)墩-基礎(chǔ)三維有限元分析模型，考慮復(fù)雜土質(zhì)條件，對管身-鎮(zhèn)墩-基礎(chǔ)進(jìn)行變形協(xié)調(diào)分析。

1 工程概況

觀音山倒虹吸管身段輸水管道是采用3根4.2 m內(nèi)徑的壓力管道，其建筑所涵蓋的平面長度共計(jì)9 777.117 m，設(shè)計(jì)流量為100 m3/s。本文選擇其中跨越了斷層的管段作為中間跨，共取用3節(jié)管道（共302.00 m）用以模擬長距離倒虹吸管道跨越復(fù)雜地質(zhì)地形的情形，在每一段倒虹吸管道設(shè)立4個(gè)支墩及支撐環(huán)，在管道節(jié)段處設(shè)置鎮(zhèn)墩，用鎮(zhèn)墩將伸縮節(jié)包裹住。其中，管道采用Q345R型號的鋼材，鎮(zhèn)墩和支墩采用C15型號的混凝土，土體采用302.00 m×18.00 m×10.00 m的長方體土層，土質(zhì)分別是回填土、碎石質(zhì)粘土、粘土及中細(xì)砂土。工程布置圖如圖1所示。伸縮節(jié)部分采用了天然橡膠材質(zhì)，參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

圖1 工程結(jié)構(gòu)布置圖（單位：m）

本文借助有限元軟件，以觀音山倒虹吸為背景，建立管體-鎮(zhèn)墩-基礎(chǔ)三維有限元模型，管體及支撐環(huán)采用殼單元模擬，鎮(zhèn)墩與基礎(chǔ)采用實(shí)體單元模擬，土體采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，管體和鎮(zhèn)墩采用線彈性本構(gòu)模型。建立的有限元數(shù)值分析模型如圖2所示。

圖2 整體有限元計(jì)算模型圖

2 管身及鎮(zhèn)墩位移變形協(xié)調(diào)分析

本文以觀音山倒虹吸某明管段為背景，考慮受復(fù)雜地質(zhì)的影響，建立三維有限元數(shù)值分析模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移變形協(xié)調(diào)分析。由結(jié)構(gòu)整體位移沉降云圖可以看出，每段管節(jié)的鋼管跨中撓度（沉降值）為-2.031 mm，小于規(guī)范規(guī)定的L/400=75 mm，滿足撓度設(shè)計(jì)要求。由于選取的明管段為對稱式結(jié)構(gòu)，由鎮(zhèn)墩附近支撐環(huán)的位移沉降云圖可以看出，支撐環(huán)最大沉降值較小為-2.031 mm，對鋼管起到了很好的限位作用。由表2可知，端部鎮(zhèn)墩沉降值相對中間鎮(zhèn)墩沉降值較大，表3中可看出，左管節(jié)與中管節(jié)之間的沉降錯(cuò)動值為-0.476 mm，由于該部分的基礎(chǔ)有分層地基，導(dǎo)致該位置處的沉降錯(cuò)動較大。表4給出管節(jié)之間的伸縮節(jié)位移最值和位移錯(cuò)動值，結(jié)構(gòu)的對稱性中間管節(jié)連接處的伸縮節(jié)位移最值及錯(cuò)動值基本一致，中間伸縮節(jié)的豎向（Y向）和垂直水流方向（X向）的位移最值較端部伸縮節(jié)較大，每個(gè)伸縮節(jié)的水流向位移（Z向）值基本一致。

表2 鎮(zhèn)墩位移沉降值mm

表3 三管情況下管之間的錯(cuò)動 mm

表4 伸縮節(jié)位移數(shù)值

3 結(jié)論

在結(jié)合實(shí)際工程所研究的三管道情況下的完建工況（即管內(nèi)尚未通水的情況）下，不同位置伸縮節(jié)的位移最值及錯(cuò)動值在豎向（Y向）和垂直水流方向（X向）相對變化較大，在水流向位移（Z向）基本一致；鋼管跨中撓度與支撐環(huán)的最大沉降值相近，支撐環(huán)可以對鋼管起到很好的限位作用，倒虹吸管節(jié)段上產(chǎn)生的彎曲撓度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)；倒虹吸管道位移量主要集中于管節(jié)段之間，并且集中于垂直方向，但管節(jié)段兩兩之間由極其柔軟材料包裹，產(chǎn)生的相對錯(cuò)動較小，也在規(guī)范許可范圍之內(nèi)的；鎮(zhèn)墩與支墩的沉降同樣是微小的，并且在各個(gè)方向上與管道變形相輔相成，并未造成結(jié)構(gòu)破壞的沉降。即將跨越斷層的管段作為中間跨，取用3節(jié)管道用以模擬跨越復(fù)雜地質(zhì)地形下的長距離明管倒虹吸結(jié)構(gòu)安全，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

倒虹吸結(jié)構(gòu)因其輸水能力強(qiáng)和隱蔽性好在水利交叉工程中得到廣泛的應(yīng)用，這也導(dǎo)致了更多跨度巨大、跨越地形極其復(fù)雜的倒虹吸管道不斷地涌現(xiàn)。而在復(fù)雜的地質(zhì)地形條件下的倒虹吸管道支座沉降在各個(gè)方位上不均勻，管道長度、材質(zhì)也限制著倒虹吸管道的變形。因此，對于在長距離、大跨度及跨越了復(fù)雜地形地質(zhì)條件下的倒虹吸管道的變形協(xié)調(diào)研究具有極大的安全價(jià)值。