□趙 斌

地下水位對彈性地基上箱涵內(nèi)力計(jì)算的影響

□趙 斌

目前，土基上箱涵內(nèi)力的計(jì)算主要有反力直線分布法和彈性地基梁法，大、中型箱涵設(shè)計(jì)一般采用彈性地基梁法。對于很多箱涵，外水壓力是結(jié)構(gòu)所受的主要荷載之一。工程區(qū)地下水位受到自然條件及人為因素的影響，變化情況較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)中取用不同的地下水位可能會得到不同的計(jì)算結(jié)果。此文結(jié)合南水北調(diào)中線一期工程七里河渠道倒虹吸的工程實(shí)例，選取代表性工況對倒虹吸內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算、比較，分析地下水位對倒虹吸內(nèi)力的影響，對大型箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

1.工程概況

七里河倒虹吸是南水北調(diào)中線一期工程總干渠穿越七里河的大型河渠交叉建筑物，全長865m。倒虹吸上游設(shè)退水閘、排冰閘，進(jìn)口設(shè)檢修閘、漸變段，出口設(shè)漸變段、節(jié)制閘，組成了以倒虹吸為主體的樞紐工程。

倒虹吸管身段包括進(jìn)口斜管段、水平段、出口斜管段，每19～20m設(shè)一道橫向變形縫。管身段為三孔一聯(lián)的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，過水?dāng)嗝娉叽?.5m× 6.5m，斜管段、河床內(nèi)段管頂板厚1. 3m，中隔墻厚1.2m，邊墻厚1.3m，底板厚1.3m；堤下管段管頂板厚1.4m，中隔墻厚1.2m，邊墻厚1.4m，底板厚1.4m。

2.計(jì)算方法

倒虹吸管橫向結(jié)構(gòu)按彈性地基上的框架進(jìn)行分析，取河堤處單寬管節(jié)作為研究對象，將頂板、底板、立墻簡化為桿件，內(nèi)力采用水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)計(jì)算。

基本計(jì)算參數(shù)如下：黏性土回填料內(nèi)摩擦角φ=20°（統(tǒng)計(jì)最大值為30.3°），天然容重γ=19.5kN/m3，浮容重γ’= 10kN/m3；砂卵石地基變形模量30MPa；倒虹吸管頂板頂高程75.4m；河堤頂高程83.1m；勘測地下水位75.4m；倒虹吸管承受的荷載主要包括自重、豎直土壓力、側(cè)向土壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、車輛荷載等。

3.成果分析

以施工完建、管內(nèi)無水工況為例，列出堤下管節(jié)計(jì)算成果。

當(dāng)?shù)购缥芡獾叵滤晃挥诠艿滓韵拢ê喎Q低地下水位）時(shí)，計(jì)算中不考慮外水壓力；當(dāng)管外地下水位與管頂齊平（簡稱高地下水位）時(shí)，兩側(cè)外水壓力按三角形分布荷載考慮，管底外水壓力按均布荷載考慮。兩種情況按荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的倒虹吸彎矩圖見圖1。

通過對比可以看出，管外無外水作用時(shí)比有外水作用時(shí)倒虹吸底板彎矩絕對值大15%～20%左右。這兩種情況倒虹吸上部荷載相同，兩側(cè)土壓力及水壓力的綜合作用效果也基本一致，為什么底板內(nèi)力會有這樣差別呢？這與彈性地基的特點(diǎn)有關(guān)。

圖1 倒虹吸管（單寬）彎矩圖（KN·m）

當(dāng)按地基反力直線分布法進(jìn)行箱涵內(nèi)力計(jì)算時(shí)，地基反力及外水壓力均呈直線分布，作用于箱涵底面的總荷載也為直線分布，其數(shù)值與上部荷載平衡。在上部荷載相對穩(wěn)定的情況下，箱涵底面的總荷載（方向向上）也基本不變，其中地基反力及外水壓力所占的比例對箱涵彎矩影響不大。因此，當(dāng)?shù)叵滤坏陀陧敯甯餐粮叱虝r(shí)，地下水位的變化對作用于箱涵頂面及底面的總分布荷載影響不大，對彎矩計(jì)算值影響也較小。

彈性地基梁法認(rèn)為梁和地基都是彈性體，可依據(jù)變形協(xié)調(diào)和靜力平衡條件確定地基反力和梁的內(nèi)力，地基反力在垂直水流方向按曲線分布，即彈性分布。當(dāng)按彈性地基上的框架進(jìn)行箱涵內(nèi)力計(jì)算時(shí)，地基反力不是直線分布，在上部荷載相對穩(wěn)定的情況下，箱涵底面的總荷載（方向向上）中地基反力及外水壓力所占的比例對箱涵彎矩有一定的影響。若箱涵外部沒有外水作用，其底板與彈性地基變形協(xié)調(diào)，整個(gè)框架內(nèi)力值反映出彈性地基的特點(diǎn)。若箱涵外部有外水作用，即箱涵底面有均布荷載時(shí)，框架內(nèi)力值的彈性地基特性將被削弱。均布荷載在箱涵底面的總荷載中所占比例越大，總荷載越趨向直線分布，框架內(nèi)力值的這種彈性地基特性就越不明顯。

可見，作用于倒虹吸底板的均布荷載削弱了彈性地基特性，這是管外無外水作用時(shí)比有外水作用時(shí)倒虹吸底板彎矩絕對值大的原因。

4.結(jié)語

分析不難看出，外水壓力對彈性地基上箱涵內(nèi)力是有一定影響的。在地下水位變動(dòng)較大的地區(qū)，低水位比高水位的工況可能對結(jié)構(gòu)更不利。因此，本人建議：對于彈性地基上箱涵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)外水水位不是很明朗時(shí)，應(yīng)充分考慮水位變化幅度，選取較不利工況進(jìn)行分析，保證結(jié)構(gòu)安全?！?/p>

2014-06-12

陳金霞，女，漢族，河北省水利物資供應(yīng)站，助理工程師。

收稿日期:2014-05-14

作者簡介:趙斌，男，漢族，河北省水利水電第二勘測設(shè)計(jì)研究院，高級工程師。