祭城干渠倒虹吸极限工况设计模式应用分析

杨硕

(郑州市水利建筑勘测设计院，河南 郑州 450006)

0 引言

祭城干渠穿越贾鲁河倒虹吸位于姚店堤北公路桥旁，贾鲁河桩号40+388处，倒虹吸建于20世纪70年代，全长90.00 m，倒虹吸进口、出口均位于贾鲁河滩地内，严重影响河道行洪安全。同时闸房、闸门及启闭机老化导致工程无法正常使用。在该倒虹吸工程重建过程中应用了极限工况设计模式，现结合工程实例加以分析研究。

1 工程布置

祭城干渠重建倒虹吸，位于郑州市金水区姚店堤村北，贾鲁河桩号40+388处。倒虹吸轴线与河道中心轴线夹角∠83.280，工程总长为318.00 m，为沟埋式钢筋混凝土箱形结构，由进口连接段、进口闸室段，箱涵段，出口闸室段、出口连接段等5部分组成。上游水位86.00 m、下游水位85.75 m，上游渠底高程84.50 m、下游渠底高程84.25 m，设计流量8.96 m3/s。

2 过水流量计算

倒虹吸水力计算公式:

(1)

(2)

(3)

(4)

C=R1/6/n

(5)

式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)中：Q—过水流量(m3)；ω—过水断面(m2)；z—进出口水位差(m)；μ—流量系数；ζf—沿程阻力系数；∑ζJ—局部阻力系数之和；L—管道全长(m);DB—管内径，取2.00 m；λ—沿程损失系数；v—管内平均流速；C—谢才系数。

经计算，倒虹吸过水流量为9.00 m3/s，满足祭城干渠穿贾鲁河倒虹吸设计流量8.96 m3/s要求。

3 荷载计算(单位长1 m)

《灌溉与排水工程设计标准》(GB50288-2018)第10.4.2条规定，根据各种荷载实际上同时出现的可能性，埋管管身计算共采用5种荷载组合，计算过程繁琐，倒虹吸设计采用极限工况，即将实际工况进行放大。工况1：河道无水，管周无水，渠道设计水位；工况2：渠道无水，河道百年校核水位(最大外水压力)，计算过程中不再考虑混凝土收缩影响和温度影响。

3.1 箱涵自重计算

荷载分项系数取1.05，下标K代表荷载标准值;底板重量设计值g1=1.05g1K=13.13 KN/m；顶板重量设计值g2=1.05g2K=13.13KN/m；竖墙重量设计值g3=1.05g3K=32.82 KN/m；垫层重量设计值g4=1.05g4K=2.63 KN/m。

3.2 土压力与外水压力计算

3.2.1 倒虹吸垂直土压力与外水压力

倒虹吸管顶部垂直土压力计算公式：

Pz=γsz(KN/m2)

(6)

式(6)中：γs—填土容重(KN/m3)，在地下水位以下部分采用浮容重；z—管顶以上填土高度(m)。

倒虹吸管顶部垂直外水压力计算公式：

Pzw=γwHW(KN/m2)

(7)

式(7)中：HW—管顶以上水头高度(m)；γw—水容重，取10 KN/m3。

倒虹吸管顶垂直土压力和外水压力计算见表1。

表1 垂直土压力及垂直外水压力计算表

3.2.2 倒虹吸管水平土压力与外水压力

倒虹吸两侧水平土压力计算公式：

Ph=γsz1ka(KN/m2)

(8)

式(8)中：γs—填土容重(KN/m3)，在地下水位以下部分采用浮容重；z1—填土顶面至计算截面的高度(m)；ka—主动土压力系数,ka=tan2(45°-φ/2)。

倒虹吸两侧水平外水压力计算公式：

Phw=γwH1(KN/m2)

(9)

式(9)中：Phw—计算截面处的水平外水压力(KN/m2)；H1—水头顶面至计算截面的高度(m)。

倒虹吸侧水平土压力与外水压力计算见表2。

表2 侧水平土压力与水平外水压力计算表

3.3 河槽下倒虹吸内水压力计算

倒虹吸内水压力Pwi为梯形分布。河槽下倒虹吸上表面内水压力设计值：Pw1=1.05Pw1k=93.45(KN/m2)；河槽下倒虹吸下表面内水压力设计值：Pw2=1.05Pw2k=114.45(KN/m2)。

3.4 河槽下倒虹吸浮托力计算

河槽校核水位时浮托力标准值：U浮k=γmHw=115.10(KN/m2)；校核水位时浮托力设计值：U浮4=0.95γwHw=109.35(KN/m2)。

3.5 地基反力计算

地基反力按照直线分布进行计算见表3。

表3 地基反力计算表

4 内力计算

结构受力分析计算采用清华大学《结构力学求解器》，内力计算结果统计见表4。

表4 内力计算统计表

5 配筋计算

倒虹吸钢筋混凝土结构计算采用《水利水电工程设计计算程序集》V4.1中的程序G-17C进行计算，计算结果见表5。

表5 倒虹吸管身结构配筋计算成果表

6 地基承载力验算

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)3.22条规定，水工建筑物在进稳定验算时，应取荷载标准值进行。

(10)

式(10)中:∑G—作用在基础上的全部竖向荷载(KN)；A—基底面面积(m2)。

经计算：P=115.71 kPa<该土层地基承载力容许值 [fa0]=120 kPa。

7 斜管段抗滑稳定验算

依据《水闸设计规范》(SL265-2001)7.3.6条抗滑稳定公式验算稳定

(11)

式(11)中：Kc—沿箱涵基底面的抗滑稳定安全系数；∑G—作用在箱涵上的垂直于基础底面的全部竖向荷载(KN)；∑H—作用在箱涵上的平行于基础底面全部水平向荷载(KN)；f—闸室基底面与地基之间的摩擦系数，取0.35。

经计算：Kc=2.66>[Kc]=1.2。

[Kc]—土基上闸室基底面抗滑稳定安全系数允许值,所以，斜管段满足抗滑要求。

8 抗浮验算

因为穿主河槽部分箱涵上部覆土最少，所以选其作为抗浮验算对象，选取100a洪水位时的工作状况。对于该段—箱涵来说，当100a水位时，箱涵内无水为最不利工况。

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)3.2.2条规定，水工建筑物在进行稳定验算时，应取荷载标准值进行。

(12)

式(12)中：Kf—抗浮安全系数；∑G抗浮力—作用在箱涵上的抗浮力(KN)；Fw作用在箱涵上浮托力(KN)。

经计算：Kf=1.42>1,故箱涵抗浮验算满足要求。

9 结语

祭城干渠倒虹吸是贾鲁河综合治理工程的重要组成部分，工程的顺利完成至关重要。文章介绍了祭城干渠倒虹吸工程实例的设计计算过程，尤其是在计算时选取了极限计算工况，不仅简化了计算过程，而且保证了工程的安全性，为类似工程实践提供一些参考。