阿城区河东灌区一号跌水消力池结构设计

张弘帅，张 帝，关丽梅

(哈尔滨市阿城区水务局，哈尔滨150300)

1 型式选择

消力池边墙高3.5～4.3 m，槽宽4.0～5.0 m，为了节省工程量和增加结构的抗冻能力，采用钢筋混凝土U型槽结构，U型槽底板厚0.5 m。

2 U型槽边墙结构计算(取墙危险断面)

2.1 按融土进行计算

墙后回填土与墙顶齐平，土壤容重r=1.80 t/m3，土壤内摩擦角30°(考虑黏聚力)。

图1 边墙结构计算图

2.1.1 土压力计算

按朗肯土压力计算:p=rH2tg2(45°－φ/2)/2

2.1.2 结构计算

截面B—B:MB=pBH/3=1.18×1.98/3=0.78tm

截面A—A:MA=pAH/3=4.70×3.96/3=6.20tm

2.1.3 配筋计算

截面A—A:MA=6.20tm h0=50－3=47cm

2.2 按冻土荷载计算

2.2.1 单位挡土墙最大水平冻胀力

由冻胀率10%及冻胀量14.2 cm，按《挡土墙抗冻胀(参考)定型设计》表2判定属于Ⅳ类冻胀土，应取150 kPa (1.5 kg/cm2)为单位挡土墙最大水平冻胀力，其分布图形见图2(a)。

2.2.2 修正单位挡土墙最大水平冻胀力

用单位最大水平冻胀力乘以修正压强分布系数，即为修正单位挡土墙最大水平冻胀力。其分布图形见图2(b)。

2.2.3 单位挡土墙设计水平冻胀力

将修正单位挡土墙最大水平冻胀力乘以冻胀力系数，即为墙体有变形时的挡土墙设计水平冻胀力。根据冻胀力系数与变形遥关系，式f=1－s0.5计算结果见表1。

表1 单位墙体设计水平冻胀力计算表

图2 挡土墙体水平冻胀力分布图

2.2.4 结构计算

1)A—A截面:

2)B—B截面:

3)C—C截面:

2.2.5 配筋计算

混凝土标号250#，采用Ⅰ级钢筋，Rg=2100kg/cm2，Rw=180kg/cm2，安全系数K=1.05。

1)A—A截面:MA=34.18tm h0=50－3=47cm

2)C—C截面:MC=16.31tm h0=45－3=42cm

3)B—B截面:MB=2.24tm h0=38－3=35cm

μ=αRw/Rg=0.0106×180/2100=0.0009＜μmin= 0.15%，按构造配筋。

在冻土和融土分别作用下产生的弯矩，选其大值进行配筋，最后边墙按A—A截面配筋。

A—A截面:Ag=38.07cm2选 φ22@10(Ag= 38.01cm2)

3 消力池U型槽水平段结构计算

经计算:A—A截面:Ag=26.32cm2选φ20@10(计算步骤同上)。

4 U型槽底板计算

因属于小型单孔，选用倒置梁法进行结构计算，作用在梁上的均布荷载:

式中:q反、q扬为地基反力、扬压力;q自、q水为底板重、底板上的水重。

式中:q反为底板基底压力的最大值与最小值;∑G为作用在底板上的全部竖向荷载之和，包括作用在底板上的扬压力;A底板底面的面积;∑M为作用于底板上的全部荷载对于底板底面垂直水流方向的形心轴的力矩之和;W为底板底面对该底面垂直水流方向形心轴的截面矩。

形心位置:yc=1/2h=1/2×8=4m

底板自重:G1=61.88t

边墙自重:G2=55.65t

底板上水重:G3=3.5×8×1.58×1=44.24t

扬压力p=渗透压力p1=(0.36+0.8)×8×0.5×4.5 =20.88t

浮托力不计:

单跨底板考虑边墙对底板约束为弹性固结，故跨中负弯矩近似按下式计算:

配筋计算:混凝土标号250#，采用Ⅰ级钢筋，Rg= 2100kg/cm2，Rw=180kg/cm2，安全系数K=1.4。

面层:M=7.03tm h0=50－3=47cm

选用φ14@15(Ag=10.26cm2)

底层:底板底层配筋与边墙外侧配筋相同，选用 φ22 @10。

［1］河北水利专科学校，黑龙江水利专科学校.水工建筑物［M］.北京:水利电力出版社，1993.

［2］华东水利学院，大连工学院，陕西机械学校，清华大学.水工钢筋混凝土结构学［M］.北京:水利电力出版社，1987.

［3］张世儒，夏维城.灌区水工建筑物丛书:水闸(第二版).北京:水利电力出版社，1988.

［4］那文杰，挡土墙抗冻胀(参考)定型设计［R］.黑龙江:黑龙江省水利科学研究所，1989.