南沙河倒虹吸结构预应力混凝土技术和设计方法研究.pdf

设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1 2期 南沙河倒虹吸结构 预应力混凝土技术和设计方法研究 马述 江 河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄0 5 0 0 2 1 【 摘要】 本文介绍了南水北调中线工程南沙河倒虹吸结构预应力混凝土技术、仿真模型试验技术成果，总结了采 用平面刚架有限元、平面应变有限元、三维有限元等方法综合分析预应力混凝土倒虹吸结构受力性能的设计成果， 为大型预应力混凝土倒虹吸结构设计提供了科学依据。 【 关键词】 倒虹吸预应力混凝土仿真模型试验有限元分析设计 【 DOI 编 码 】 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 ． 2 4 6 9 ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． 0 0 6 【 中图分类号】 T V6 7 2 ． 5 【 文献标识码 】 B 【 文章编号】 1 6 7 2 ． 2 4 6 9 2 0 1 4 1 2 ． 0 0 1 3 ． 0 4 引言 南水北调 中线工程 总干渠南沙河倒虹 吸，位 于 沙 河 市西 北 高店 村 西 ，总 长 4 3 3 5 m，是河 北 省段规模 最大 的交叉建筑物 之一 。工程 由南汊倒 虹吸 、中间明渠和北汊倒虹吸三大部分 组成 ，其 中南 汊 倒虹 吸 长 1 2 5 0 m，中 间 明渠 长 2 0 3 0 m， 北汊倒虹吸长 1 0 5 5 m。倒虹吸管身为 3 孔一联， 初 步 设 计 确 定 的 单 孔 过 水 断 面 尺 寸 6 ． 56 ． 5 m 高 宽 ，施工 图设计 阶段 根据 倒虹 吸水 力 学计算，调整为 6 ． 6 m6 ． 5 m 高 宽。 根 据 工程 位 置 水文 地 质 条件 ，确 定 倒 虹吸 顶部 埋深 为 6 ． 0 m。经过 初 步计 算分 析 ，采 用普 通钢 筋 混凝 土 结构 时存 在 结构 混凝 土 壁 厚大 、 难 以同时满 足多种 工况下 混凝土 抗裂 设计要求 ， 不利 于 混凝 土抵 抗 工 程 区地表 水 的结 晶类硫 酸 盐型弱～强腐蚀。因此，在结构设计计算分析与 仿真模 型试验验证基础 上 ，确定采用 高强低松弛 预 应 力钢 绞 线和 曲线 孔道 真 空辅 助灌 浆 后张 有 粘 结预 应力混凝土技术 。本文对该工程 的科研 及 设计成 果进行 了简要 总结 。 1 南沙河倒虹吸预应力混凝土技术 1 ． 1 预应力混凝土技术体系及配筋 方式 通 过 综 合 分析 后 张有 粘 结和 无 粘 结预 应 力 混凝土技术 的优缺 点，考虑倒虹吸结构耐久和 防 腐蚀的重要性，确定倒虹吸结构采用后张有粘结 预应力混凝土技术 。 1 倒虹吸结构断面设计 倒虹吸的结构断面 的设计 按如 下步骤进 行 ①按 经 验尺 寸 范 围拟 定 截面 尺 寸 。对 于 顶 板厚度 ，可视倒虹 吸顶板 上部覆盖层 厚度和河道 水位情况 ，取其跨度的 1 ／ 5～ 1 ／ 1 0 。对 于底板厚 度，可取项板厚度的 1 ． 0～ 1 ． 3倍；坐落于压缩 模量较小的硬基时取较小值，坐落于压缩模量较 大 的软基或 者不均匀地 基上时取较大值 。对 于边 竖墙， 可取与项板相同的厚度。 对于中竖墙厚度 ， 可取边竖墙厚度 的 0 ． 9～ 1 ． 0倍 。 ②按照混凝土材料弹 性平面有限元方法 ，计 算各种正常使用工况下倒 虹吸结构的截面应力 。 ③将倒虹吸结构在正常使用工况下的顶、 底板截面最大拉应力控制 在 3～ 4 MP a范 围内， 竖墙截面最大拉应力控制在 4～ 5 MP a范 围内， 即达到较优 的结构断面尺寸 。 2 倒虹吸结构预应力钢筋的配置 ① 对 于拟 定 的倒 虹 吸结构 断面 ，采 用有 限 元方法 ，计算 结构顶板 、底板和 竖墙 在各种正常 使用 工况下的应力 ，分别 绘制其受 拉区包络图和 作者简介 马述江 1 9 6 5年一 ，男 ，教授级高级工程师 。 1 3 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1 2期 虹吸 结构超载测试 。 根据仿真模型试验测试结果与原型和模型 三维有 限元 计算结果 的对 比分析 ，证 明三者确 定 的倒虹 吸结构应 力分布是一致 的；在各种预定工 况 下 ，倒虹 吸 结 构顶 板 、底 板 、边侧 墙 和 中 隔 墙 的受 力 状态 均 满足 设 计要 求 ，配 置 的预 应力 筋达 到 了预 期效 果 。通过 仿 真模 型 试 验 ，确 定 了超载情况下倒虹 吸结构的承载能力 ，并据此 ， 提 出 了需要进一步 改进 的结构设计建议 。 2 南沙河倒虹吸结构设计计算分析 2 ． 1 平面刚架有 限元计算分析 对 于倒 虹 吸 结构 在承 载 能 力极 限状 态 下 的 配筋计算 ，需要确定设计断面 的内力 弯矩、剪 力 和 轴 力 。为 此 ，采 用 ADI NA7 ． 5结 构 计 算 软 件 ，取 单位 长度 1 m上 的倒 虹吸 管 结构 为 计算单元 ，将 结构按底板 、顶板 、边墙和 中墙 离 散为梁单元 ，底板 下地基 土及 开挖断面土体离 散 为平面应力单元 ，提 出了倒 虹吸结构 内力计算 的 平面钢架有 限元 方法 。 为 了验 证 倒 虹 吸结 构 内力 计 算 结果 的可靠 性 ，首先将 承载力极 限状态下 各工况 的截面 内力 计算结果用材料 力学公式转化为截面 正应 力，与 采用 三 维有 限元方 法 计算 同条 件 下 结构 的截 面 应 力进行 了对 比。 结果表 明 ， 除某些工况下顶板 、 底 板 与 竖墙 交接 节 点 处 因 内力 计 算假 设 节 点位 于结构截 面形 心交 点而计算 截面拉 应力较 大外 ， 其 它情 况均具有 良好 的一致性 及符合性 。因此 ， 两种计 算方法所得结果可 以相 互 印证 ，可 以采用 得到 的结构截面 内力进行 结构 配筋设计 。 2 ． 2 平面应 变有 限元计算分析 将 倒 虹 吸 结构 简化 为 平 面应 变 有 限元 进 行 截面正应 力计 算 ，具有简便 、使用且结果相对 可 靠 的特 点，因此 ，根据 南沙河渠道倒虹吸分段 、 水文条件及 结构特点 ，选取 倒虹吸南汊与北 汊平 管段 、河堤段和 出入 口倾斜 段作为典型控制节段 分别进行结构 的平面应变分析 ，作为倒虹吸 结构 断面初定与调整 的计算依据 。 2 ． 3 三维有 限元计算分析 1 倒虹 吸结构应 力分布状态验证 在 倒虹 吸 设 计过 程 中，采 用 了三 维 有 限元 模型进 行倒虹 吸结 构 的应 力分布状 态验 证计算 。 主要基于如下考虑 ① 倒 虹 吸顶板 、底 板和 竖墙 中预 应力 筋 间 距 不 同，预应力筋并不处于 同一平面 内。由于单 筋预应 力效果传递范 围是一定 的，需要通过三维 模型才 能真实反映这种预应力情况 ； ② 对 于倒虹 吸河床 和 河堤平 直段 ，采用 平 面 应变 模 型所 得 结果 能够 准确 反 映每 节倒 虹 吸 中部 区段 的应 力 分布 状 况，但 在越 靠 近两 端 区 段 ，结构 的受力性 能越接近 于平面 应力状态 ，平 面应变模型 的计算 结果有较 大的误 差 ，而三维模 型可 以真实 反 映 结构 受力 从平 面应 变 向平 面应 力的过渡情况 。 ③ 对 于倒 虹吸进 口和 出 口的斜 直段 ，需要 通过三维模型体现结构所处位置 、承受 内外荷载 随高程 的变化等 。 2 不均匀地质条件适应性分析与处理 根据 工 程地 质 情况 及 拟采 取 的地 基 处理 方 案 ，针对 多种地质 剖面 建立 了三 维有 限元模型 ， 对 不 均匀 地质 条 件下 倒 虹吸 受力 性 能进 行 了计 算 分 析 。结果 表 明地 基 不均 匀对 倒 虹 吸结 构 整 体在正 常使用 阶段 的受 力状态 具有较大 影响 ， 采 用换 填 土方 式 改善 地基 均匀 性 对调 整 改善 倒 虹 吸 结构 整体 受 力性 能特 别 是底 板受 力状 态 具 有显著作用 ，并据此提 出了对倒虹 吸坐落 于不 均 匀地质条件 的地基 处理措 施。 3 预应力筋张拉施工工序 的确 定 采 用三 维 有 限元 方 法 ，以施 工完 建 期 倒虹 吸 结构 受 力状 态 为基准 ，对 倒 虹吸 结构 按 底板 一 顶 板 一边 墙 一 中墙顺 序依 次 张拉 各部 位 预应 力钢筋进行了全过程三维有限元数值模拟计算， 提 出 了以缩 短 工期 、 降低 施 工 费用 为 目标 的南 沙河倒虹吸结构预应力筋 的合理 张拉施工顺序 先 张拉底板预应 力钢筋 ，然后埋土 回填至 1 ／ 2倒 虹 吸高度；在埋 土回填施工 同期 ，进行边墙预应 力钢 筋的张拉；然后回填埋土至倒虹吸高度 ，张 拉顶板预应 力钢筋 ，最后 张拉 中墙预应力钢 筋 ， 再 回填 上覆土至完建期 。上述 成果为施工组织设 计提供 了重要 依据 。 3 结 论 南 水 北 调 中线 工程 南 沙河 倒 虹 吸设 计 ，采 用 了先进可靠 的预应 力混凝 土技术 。为了准确进 行 结构 配 筋计 算 并采 取合 理 构造 措施 ，采 用 了 仿 真模 型试 验 、平面 有 限元 和三 维 有 限元 模型 1 5 设计施工 水利规划与设计 2 0 1 4年第 1 2期 计算分析 相结合 的方法 ，研 究分析 了结构在各种 设 计 工况 下 的 内力和 应 力分 布状 况 ，确 定 了不 均 匀地基 处理措 施和预应 力张拉 施工合理 工序 ， 为工程 设计与建造达到安全 、可靠、经济综合 目 标提供 了科学依据 。 目前 南 沙河 倒 虹 吸 已完 成 充水 试验 ，各 项 指标 均满 足设计要求 。 上接第 9页 段、现状劣V类河流和重要湿地， 采用实施 以生物措施为主 的污染河湖综 合治理。 有 效预 防污染 源 对 地下 水 的污 染 ，优化 工 业 园区选址与工业 园区布 局，引导工业企业 向工 业 园 区集 中，采 取 封 闭、截 流 、净化 恢 复 等措 施 ，有效防控地下水污染 。城镇周边村庄纳入城 镇污水收集 管网统一 处理 ；农户居住 比较分散 、 地形条件复 杂的村庄 ，因地制宜建设分散式 生活 污水处理设施 ；降低农药化肥施用量 ，从源 头上 控制地下水污 染。严格水环境影 响评价和地 下水 环 境准 入 ，防 范石 油化 工 行 业污 染 地下 水 ，强 化矿 山开采 及加 工区周边 区域地下 水污染 防治 ， 控制工业 固体废物对地下水影响 ，规 范生活垃圾 填埋场 防渗 。加 强地 下水污染监测 ，有 效防控地 下水污 染风险 。 2 ． 7 防洪减灾能 力提升战略 河 北省 防洪 减 灾 能力 依 然 薄弱 ，必 须加 快 防汛抗旱能力建设 ，持续实施永定河 、滦河 、子 牙新河、潮 白河等骨干河道治理 ，继续推进 中小 河流治理， 推进双峰寺、 乌拉哈达等大中型水库、 宁晋泊大陆泽 、永定河泛区等重点蓄滞洪 区和沿 海地区重点海堤建设 ，完善城市防洪排涝体系 。 提升水文测报预警 能力 ，建立完善水文 自动测报 系 统。提 升 决策 指 挥调 度 能力 ，建 立 防汛抗 旱 指挥调度信息 中心 ，实现预警预报 、会商 决策 、 指挥调度信息化 。提高应急抢 险队伍素质 能力 ， 组建 防汛抗旱专业 队伍 、群众抢险 队伍 ，有效应 对水旱灾害 。 规 范 河湖 湿 地 管理 秩序 ，健 全 河道 管 理机 制，划定河道管理范 围，清 除河道行洪障碍， 规 范河 道 采砂 行 为 。依 法划 定 河湖 湿 地 管理和 保 护 范 围，开 展河 湖 水域 岸 线登 记 ，完成 河 道 管理 范 围划 定和 竖桩 标 记工 作 。落 实河湖 湿 地 管护 主体，完善河湖湿地 管护标准 和监督机制 ， 推行省 、市 、县、乡 镇 四级 “ 河长制 ”。加 强对涉水 建设项 目事前 、事 中、事后 的监管 ，强 1 6 参考文献 l 赵 顺波 ，乔裕 民，马述江 ．倒 虹吸结 构预应 力混 凝土 技 术 ．北京 中国水利 水 电出版社 ，2 0 1 1 ． 2 赵 顺波 ，刘树 玉 ，李 晓克 ，乔裕 民，胡 志远 ，马述江 ．大 型倒虹吸预应力混凝土结构模型试验研究 ． 水力发电学 报 ，2 0 0 6 ，2 5 1 4 0 4 4 ． 化河湖湿地监控 ，依法 查处非法侵 占河湖湿 地、 非法采砂等行为 。 2 ． 8 体制机制创新战略 切实处理好政府和市场 的关系 ，简政放权 ， 依法行政 ，激发市场主体活力 ，充分发挥市场在 水资源配置 中的决定性作用 ，切实履行政府治水 的主要 职 责 。探 索研 究 城 乡涉 水事 务一 体化 改 革 ，建立事权清 晰、权责一致 、规范高效 、监管 到位 的水行政 管理体制 。积极推进水权 、水价 、 水 资源税和 水利 工程产权 制度改革。落实最严格 水 资源 管理 制度 ，完善 “ 三条 红线 ”控制指标体 系，完成水 资源 “ 四网一平 台 ”监控体 系，建立 水资源监测 预警机制 。建立水 生态功 能区水域 、 森林、草 原、水土保持 生态补偿机制 ，推动 张承 水源 涵养 生态功能区保护与建设补偿机制落实 。 建立 水 安全 保 障机 制 ，不 断完 善 公共 财 政 水安全投入稳定增长机制 ，强化水利规费征收管 理 ，足额 征收水利基金 。探 索建立水安全投融资 长效机制 ，鼓励和 吸引社 会 民间资本投入水安全 建 设 。实行 生态 空 间用 途 管制 ，划 定 林地 、草 地 、河流 、湖泊 、湿地等生态空 间范 围。健全完 善水安全法规体系 ，全面推进水安全综合执法 ， 加强水安全执法 队伍建设 。构建水安全共 同责任 机制 ，实行最严格水资源管理制度考核 ，把节水 纳 入严 重缺 水 地 区政 绩考 核 。落 实 水 安全科 技 保 障措施 ，加强 国际 国内水安全合作机制建设 ， 基本建成水利信 息化科技支撑 系统。 3 结语 水安 全 包括 供 水 安全 、防 洪 安全 、水 生态 安全 、水环境 安全等诸 多方 面，实施水安全 战略 不单单是水利 部 门的职 责，必须形成全社会 的共 识，动 员全社会 的力量 ，在党和政府 的领 导下有 序开展工作，才能达 到预 期效果 。让我们 携起 手 来 ，共 同努 力，为早 日建成 具有河 北特色 的水安 全保障体系贡献 自己的一份力量 。