现浇混凝土矩形渠道侧墙结构计算与比选设计

2018-04-24刘娟

水利规划与设计 2018年3期

刘娟

(河北省南运河河务管理处，河北沧州 061001)

1 现浇混凝土矩形渠道的优势

目前,我国农田水利建设领域的小型渠道多为U型渠道和梯形渠道,但是矩形渠道以施工简单、占用耕地少和断面规则等优势,仍在农田灌溉工程中具有广泛应用[1]。具体而言,现浇混凝土渠道具有如下优势：第一,防渗效果好,现浇混凝土矩形渠道一般能减少渗漏量的90%～95%,对提高水资源利用率,增加农田灌溉保证率十分有利[2]；第二,具有良好的耐久性,现浇混凝土矩形渠道可以有效防止一般外力性破坏,运行时间可长达40～50年；第三,输水能力大,混凝土护面的糙率相对较小,流速一般可以达到3～5m/s,在同样输水需求的情况下,可以采用较小的断面尺寸,降低占地面积和工程投入；第四,现浇混凝土矩形渠道对施工场地的要求较低,只要能立模的地方即可进行浇筑施工,同时施工方法简单、便捷,施工速度快[3]。鉴于现浇混凝土矩形渠道的众多优势,加强其结构设计研究,可以对渠道的设计和施工提供必要的理论指导。

2 矩形渠道侧墙结构计算原理

矩形渠道的结构计算主要由侧墙结构计算和底板结构计算两部分组成。本文仅讨论侧墙结构计算。荷载计算原则和混凝土结构计算均按照SL191- 2008《水工海凝王结构设计规范》进行。其中,土压力利用朗肯主动土压力公式计算,填土暂以和渠顶齐平计算,填土的内摩擦角取28°。由于灌溉区的地下水位一般较深,不会对渠道产生明显影响,在计算过程中不做考虑[4- 5]。

2.1 侧墙内力计算

侧墙内力按底端固定的悬臂板计算,分为完建期和运行期两种情况[6]。其中,完建期的侧墙底部截面弯矩设计值等于墙后土压力作用的弯矩设计值,其计算公式如下：

(1)

式中，M1—墙后土压力作用的弯矩设计值,kN·m；H—渠道侧墙净高,m；γg—土压力荷载分项系数,取1.2；γ1—墙后回填土重度,取19kN/m3；φ—回填土内摩擦角,(°)。

渠道运行期的侧墙底部截面弯矩设计值为墙后土压力作用的弯矩设计值与渠道内水压力作用的弯矩设计值之和[7]。其中,渠道运行期墙后土压力作用的弯矩设计值仍利用上式计算；渠道内水压力作用的弯矩设计值则利用下式计算：

(2)

式中，M2—渠道内水压力作用的弯矩设计值,kN·m；h—渠内设计水深,m；γq—水压力荷载分项系数,取1.1；γ0—水的重度,取10kN/m3。

2.2 混凝土结构计算

现浇混凝土矩形渠道的侧面属于矩形截面的混凝土受弯构件,其正截面承载力应符合如下规定：

(3)

则：

(4)

式中,K—承载力安全系数,素混凝土取1.2,钢筋混凝土取2.0；M—弯矩设计值,N·mm；γm—截面抵抗矩塑性系数；f1—混凝土轴心抗拉强度设计值,N/mm2；b—矩形截面宽度,取1000mm；h—矩形截面高度,mm。

3 侧墙结构设计

从上节的侧墙结构计算公式可知,矩形渠道的侧墙受力情况与墙高和水深有关,与渠道的宽度无关[8]。因此,利用上节方法计算出不同高度的侧墙底部弯矩值,计算结果如表1所示。

表1 矩形渠道侧墙底部弯矩计算成果

由表格中的数据可知,完建期渠道侧墙底部所受的弯矩值最大,属于最不利工况,因此需要以完建期的受力情况进行侧墙结构计算。基于上述计算结果,利用公式(4)即可计算渠道侧墙的厚度。由于不同衬砌材料具有不同的承载力安全系数,计算出的墙体厚度也不同。在选用混凝土等级时,考虑钢筋混凝土的耐久性要求,混凝土的最低强度等级为C25,因此计算过程中混凝土强度等级设定C25和C30两种情况。具体的结构计算结果如表2所示。

由于本文研究的矩形渠道的流速为均小于3m/s,根据GB/T50600- 2010《渠道防渗工程技术规范》的相关规定,混凝土渠道防滲层的最小厚度为4cm,钢筋混凝土防渗层的最小厚度为7cm。根据上表中的计算结果,当侧墙高在0.9m以上时,素混凝土渠道侧墙厚度大于7cm,可经过增加配筋减小侧墙厚度,降低造价。因此,对侧墙高度分别为0.9m、1.0m、1.1m和1.2m的渠道侧墙进行配筋设计,计算结果如表3所示。

表2 矩形渠道侧墙结构计算表

表3 侧墙配筋计算结果

通过上述计算,得到了矩形渠道侧墙各种衬砌材料的结构尺寸,进而依据渠道侧墙的体积计算出材料用量。结合材料的市场单价即可计算获得单位长度渠道的材料费用。对不同材料选用方案的材料费用进行对比,即可得出侧墙的最经济结构。本次计算中采用的是辽宁地区2016年1～12月份建设工程材料的平均市场价格,对各尺寸渠道侧墙选用素混凝土的材料费用进行计算,结果如表4所示。

对于侧墙高分别为0.9m、1.0m、1.1m、1.2m等4种情况,选用钢筋混凝土作为衬砌材料,单位渠道费用计算结果如表5所示。然后与素混凝土渠道的材料费用进行对比,最终得到矩形渠道侧墙的最经济结构形式。

对表4和表5中各种材料选用方案的单位费用进行对比,可以最终获得矩形渠道侧墙的最经济方案,如表6所示。