倒虹吸管结构安全复核与过流能力计算分析

劳沈回

（开平市镇海水库，广东 开平 529341）

1 工程概况

辜家坝倒虹吸管是眉山市重要的渠系建筑物，于1972年建成通水，灌溉仁寿、东坡、彭山3县（区）8个乡镇46个村，位于眉山市红光支渠，幅员面积119.7km2，是具有灌溉、工业及生活用水、水产养殖、提引相结合的综合利用效益的水利工程，是该地区国民经济和社会发展的重要基础设施之一。本工程设计流量等于2.5m3/s，建筑物级别为5级，设计洪水标准为10年一遇。

辜家坝倒虹吸管管身类型为圆形现浇钢筋混凝土管，采用延原地面线布置敷设，倒虹吸管进口段沉砂池，2013年安装布置拦污栅及清污门机。清污门机正常运行，出口段消力池均为砂浆条石砌筑，渐变段与渠道平顺衔接，圆形现浇钢筋砼管的管内直径1.2m，内圈长3.77m，管身壁厚0.20m，原钢筋砼抱箍宽度33cm，厚度15cm，管道基底设计为10cm的C10混凝土，平行段管床为浆砌石刚性管床。在低洼处设一处冲沙兼放空井室，冲砂井室尺寸3.65m×2.8m×2.2m（长×宽×高）。管道在地形变坡、平面转弯处设置镇墩，管座采用混凝土刚性管座，跨河处采用四榀浆砌石重力支墩及管桥明管跨越，支墩基础置于基岩或砂卵砾石层上。进口下行管长度约356m，平行管长度约200m，上行管长度约112m。

辜家坝倒虹吸管始建于上世纪70年代，运行至今近50年，超过《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL 654-2014）[1]规定合理使用运行年限。早期建设时受建设时历史环境和经济技术条件制约，工程设计与建设标准偏低，施工质量较差，经过多年运行及自然老化，环境侵蚀、自然灾害等问题，工程结构的稳定性、变形、应力应变及支护受力等不断劣化，混凝土结构存在不同程度的磨损、老化、开裂、腐蚀的不利状态。在经历了外界条件长期影响后，长期带病运行，存在混凝土剥落、裂缝、漏水、钢筋锈蚀外露、粗骨料外露等安全隐患。整体功能下降，防洪功能严重不足，灌区灌溉保证率降低，灌区效益逐年衰减，严重阻碍和约束工程效益的发挥和水资源可持续有效利用，不利工程安全输水，同时也造成了水资源的极大浪费。

因此，有必要对该倒虹吸管进行结构安全复核与稳定计算评价分析，及时掌控倒虹吸管的健康状态，为后期工程正常运行和维修加固设计提供指导。

2 工程地质条件

辜家坝倒虹吸管工程区地貌以平原为主，间有浅丘台地。平原地势起伏不大，由西北向东南倾斜，浅丘台地分布于东南及西南部，河渠密布，河流及古河道纷繁，平原内部形成相对较低的洼地及平行河流的垄岗状高地，相对高差小于2.0m，使平原具“大平小不平”的特点[2]。

工程区内构造简单，无大断裂通过。工程址区周边（近场区）断裂的活动性和地震活动性均较微弱，历史上未发生过强烈地震，属相对稳定区域。工程区域构造稳定性主要受外围龙门山断裂带和龙泉山断裂带地震活动控制（地质构造与地震震中分布图）。按《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015），查得项目区地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.45s，对应的地震烈度为Ⅶ度，区域构造稳定性较差。工程区岩、土物理力学指标建议数据见表1。

表1区内岩土物理力学特性主要参数建议值

3 倒虹吸管管身结构复核计算及分析

倒虹吸管管身采用C25钢筋砼结构。混凝土轴心抗压强度标准值fck取16.7N/mm2，轴心抗拉强度标准值fck取1.78N/mm2，轴心抗压强度设计值ft取11.9N/mm2，轴心抗拉强度设计值ft取1.27N/mm2，弹性模量Ec取2.8×104N/mm2，容重r取2500kN/m3。

根据《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》SL654-2014[1]的规定，本倒虹吸管的合理使用年限为50年，目前已经达到50年。根据现场测量结果，倒虹吸管管身典型横断面尺寸如下图1所示。倒虹吸管结构稳定计算荷载组合见表2。

图1 倒虹吸管标准横断面（单位：cm）

3.1 横向结构稳定计算

倒虹吸管横向按照封闭圆环型结构计算，倒虹吸管管身属于厚壁管按照弹性力学平面问题计算，除在均匀内（外）水压力作用时按照弹性力学方法计算外，对于由其他荷载引起的内力按弹性中心法求解[3-8]。

倒虹吸管采用C25钢筋砼，横向钢筋采用HRB335，经查询原设计配筋ф12@150，实配As=758mm2，按照钢筋截面损失率20%计算As=606mm2。从表3可知，在受力钢筋面积不折减的情况，倒虹吸管横向结构强度复核满足现行规范要求。但由于该水工建筑物始建于上世纪七十年代，受建设时历史环境和经济技术条件制约，工程建设标准偏低，年久失修，淤积、老损和渗水严重，长期带病运行，存在混凝土剥落、裂缝、漏水、钢筋锈蚀外露、粗骨料外露等安全隐患，建议将受力钢筋截面积折减20%再进行复核，此时，正常运行工况下横向结构不满足现行规范要求。根据现场检测，倒虹吸管管身存在大量的混凝土剥落，钢筋外露严重。钢筋面积折减20%更能反应现场实际情况。以上说明倒虹吸管管身横向强度复核在根据折减情况下不满足规范要求。

表2管身荷载组合统计

3.2 纵向结构稳定计算

倒虹吸管水平段总长约40m，为架空跨路段，按照简支梁对倒虹吸管进行验算。正常运行时荷载包括水重、自重，空管运行时为自重，由于是架空段无人行板，不考虑均布活载。

表3钢筋面积不折减计算对比成果

表4钢筋面积折减计算对比成果

由图2和图3计算结果可以看出正常运行情况最大负弯矩558.397，空管运行时最大负弯矩414.998。本次截面按受弯构件进行承载力和配筋验算。

图2 正常运行情况弯矩包络图（单位kN·m）

图3 空管情况弯矩包络图（单位kN·m）

倒虹吸管采用C25钢筋砼，纵向钢筋采用HRB335，原设计配筋ф16@150，实配As=1 407mm2，按照钢筋截面损失率20%计算As=1126mm2。

表5钢筋面积不折减计算对比成果

表6钢筋面积折减计算对比成果

从上表5和表6可知，在受力钢筋面积不折减的情况，倒虹吸管纵向结构强度复核满足现行规范要求。在受力钢筋面积折减20%的情况下，正常运行工况下纵向结构强度不满足现行规范要求。根据现场检测，倒虹吸管管身存在大量的混凝土剥落，钢筋外露严重。钢筋面积折减20%更能反应现场实际情况。综上，倒虹吸管管身纵向强度复核在根据折减情况下不满足规范要求。

4 倒虹吸管过流能力复核

《根据水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》SL654-2014的规定，本项目合理使用年限为50年，目前已经接近或达到50年。倒虹吸管槽身水流为压力管流，倒虹吸管内的水流为压力管流，过水能力可按压力管道公式计算，计算计算公式如下[9]：

式中：Q为倒虹吸设计流量，以m3/s计；ω为倒虹吸管过水断面面积，以m2计；μ为流量系数，无因次量与管内沿程摩擦损失及局部阻力损失有关；ξf为沿程阻力系数；∑ξj为局部阻力系数之和，其中ξ拦栅=β*（s/b）3/4*sina；L为管道全长，以m计；D0为圆管内径，以m计；hf为沿程水头损失，以m计；Hj为局部水头损失，以m计；v为管内平均流速，以m/s计；g为重力加速度，以m/s2计；λ为能量损失系数，λ=8g/C2；C为谢才系数，m1/2/s。

通过查询倒虹吸管的局部水头损失进行取值；已知管的纵向布置和轴线长、断面尺寸和水头损失，验算过水能力。根据确定的参数进行虹吸管过流能力复核，计算结果见表7。由计算成果可以看出，倒虹吸管最大过流能力为2.69m3/s，大于设计加大流量2.5m3/s，则本倒虹吸管能按照目前设计流量进行输水。

表7倒虹吸管过流能力复核成果

5 结论

本文以老旧倒虹吸管为研究对象，定量计算了该倒虹吸管在基本组合和偶尔组合的运行工况下的管身结构的纵向、横向结构稳定以及过流能力，得到以下结论：

（1）在受力钢筋面积不折减的情况，倒虹吸管横向结构强度复核满足现行规范要求。但考虑混凝土剥落、裂缝、漏水、钢筋锈蚀外露、粗骨料外露等安全隐患时，受力钢筋截面积折减20%后，正常运行工况下横向结构强度不满足现行规范要求；

（2）在受力钢筋面积不折减的情况，倒虹吸管纵向结构强度复核满足现行规范要求。在受力钢筋面积折减20%的情况下，正常运行工况下纵向结构强度不满足现行规范要求。

（3）倒虹吸管最大过流能力为2.69m3/s，大于设计加大流量2.5m3/s，则本倒虹吸管能按照目前设计流量进行输水。