南水北调中线一期工程郑州段须水河倒虹吸管身段结构计算

□刘少丽 □耿 波 □任松林（黄河勘测规划设计有限公司）

1 概述

须水河是索须河支流，淮河流域贾鲁河二级支流，交叉断面以上河道干流长13.40 km，流域面积66.10 km2。须水河为季节性河流，河床宽约15.00 m，河底高程约118.00 m；两岸漫滩高程约120～121 m；左右岸一级阶地阶面高程约123.00 m。建筑物建基面均位于第③层重粉质壤土中，工程地质条件较好。交叉断面处，河道100 a一遇洪峰流量1250 m3/s，300 a一遇洪峰流量1600 m3/s。倒虹吸设计流量为270 m3/s，加大流量330 m3/s。建筑物设计水头0.13 m，建筑物总长375 m，管身段长250 m。

南水北调中线总干渠为一等工程，须水河渠道倒虹吸管身段、连接段及渐变段均为一级建筑物。河道控导与防护工程为三级建筑物。渠道倒虹吸各部位防洪标准均按100 a一遇设计，300 a一遇校核。

2 结构计算

2.1 基本资料

须水河渠道倒虹吸管身分为河岸段和河槽段，河岸段回填土高程126.48 m，填土高度9.64 m，河槽段回填土高程118.39 m，考虑工程建成后的回淤，填土高程按119.39 m，填土高度4.00 m。管身填土综合指标：湿容重为19 kN/m3，浮容重为10 kN/m3，土的综合摩擦角28°，侧向土压力按静止土压力考虑。根据地质报告成果，地下水位在管身建基面以下。倒虹吸管采用C30混凝土和Ⅱ级钢筋。渠道倒虹吸设计地震动峰值加速度为0.10 g，相应基本烈度7°。

倒虹吸管身横向共4孔，分为两联，一联由2孔箱形钢筋混凝土结构，左右对称布置，两联中间设2 cm宽沉陷缝。根据水力计算结果，倒虹吸孔径取为7.00 m×7.00 m。河岸段管身结构尺寸：倒虹吸边墙厚度采用1.60 m，中墙厚1.20 m，缝墙1.20 m，底板厚1.60 m，顶板厚1.60 m，河槽段管身结构尺寸：倒虹吸边墙厚度采用1.30 m，中墙厚1.20 m，缝墙厚1.20 m，底板厚1.30 m，顶板厚1.30 m。为解决应力集中问题，在倒虹吸顶、底板与边墙及中墙交接部位设置0.60 m×0.60 m贴角。在水平管段底板的末端设置集水井，以备倒虹吸检修时能尽快抽干积水。为尽量减少水头损失，在倒虹吸进口顶部设圆弧，为防止人及牲畜掉入倒虹吸，设计倒虹吸进出口胸墙顶同进出口闸墩顶平齐。

2.2 计算方法

须水河倒虹吸横断面为2联4孔，对称布置，因此取1联进行计算。计算模型采用弹性地基上的框架算法进行结构计算。内力计算采用水利水电工程设计程序集G—14（带斜杆带弹性地基梁的平面框架内力及配筋计算程序）及结构力学求解器（SMSolver）辅助计算。结构配筋及裂缝宽度计算均按《水工混凝土结构设计规范）》（SL191-2008）要求进行，裂缝宽度允许值为0.20 mm。

2.3 计算假定及参数

倒虹吸管身简化为弹性地基上带刚域的框架，底板简化为弹性地基梁单元，弹性地基梁采用文克尔假定，其解用初参数法公式。对于弹性地基梁的变位不进行检验，不检验变位的单元类型数为9个，地基弹性抗力系数取为2800 t/m3。

对结构进行编号时，弹性地基梁应编在最后，且每根杆件为一种类型（即使杆件参数完全相同，也按不同类型对待）。对于需要考虑刚域的杆件，将此杆件的刚域分离出来，作为一个单独的杆件参与结构分析。杆件内力求出后，按《水工混凝土结构设计规范）》（SL191-2008）进行配筋计算。

2.4 荷载及组合

倒虹吸管结构所受荷载，参考《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077－1977）进行计算，温度荷载考虑内外表面温差5℃，温度荷载产生的内力由结构力学求解器（SMSolver）计算，最后叠加入其他荷载产生的内力进行结构配筋计算。

表1 倒虹吸管结构计算荷载及组合与安全系数表

2.5 计算结果

经过以上内力计算，根据《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008），考虑裂缝宽度分布不均匀性及荷载长期作用影响后的最大裂缝宽度，对其进行配筋复核和承载能力复核，得出控制工况和各区域的配筋面积。内力计算结果及配筋结果见下表2和表3。

表2 河槽段—倒虹吸管身结构计算成果汇总表

表3 河岸段—倒虹吸管身结构计算成果汇总表

3 结论

通过上述对倒虹吸结构在各工况的内力计算分析表明,采用所配置的钢筋均满足设计要求。目前南水北调中线已通水半年有余，须水河倒虹吸运用状态良好，表明这种计算方法是简单并且可行可靠的，可为同类倒虹吸结构设计提供经验和依据。