李會(huì)波 于 茂 常 峻 丁靖波

1 工程概況

2016年11標(biāo)段是鄂北水資源配置工程中的一段關(guān)鍵性工程，位于廣水市，標(biāo)段總長(zhǎng)度16.705km（樁號(hào)217+150—233+855），包括明渠、隧洞、暗涵、渡槽、倒虹吸、水閘以及排洪建筑物、水系恢復(fù)等工程。

暗涵采用C25混凝土箱涵型式，設(shè)計(jì)流量為7.4m3/s，設(shè)計(jì)縱坡1∶9600，采用單孔，孔寬3.8m，暗涵建筑物級(jí)別為3級(jí)，環(huán)境類(lèi)別2類(lèi)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇。本工程涉及的暗涵共0.99km，暗涵基本特征表見(jiàn)表1。

表1 暗涵基本特征表

2 地質(zhì)條件

葉家灣暗涵和余店（團(tuán)結(jié)村）暗涵涵基坐落于震旦-青白口系岔河組（Z2c）強(qiáng)風(fēng)化-弱風(fēng)化鈉長(zhǎng)片巖，納長(zhǎng)片巖承載力特征值為550～2800kPa。

回龍寺暗涵和雙河村暗涵涵基坐落在震旦-青白口系隨縣群垸子灣組（（Qn-Z1）y）強(qiáng)-微風(fēng)化絹云納長(zhǎng)片巖上，其承載力特征值為450～2600kPa。

南沖灣暗涵涵基分別座落在第四系全新統(tǒng)沖積堆積（Q4al）黏土層和震旦-青白口系隨縣群垸子灣組（（Qn-Z1）y）強(qiáng)風(fēng)化絹云納長(zhǎng)片巖上，黏土承載力特征值為230kPa，絹云納長(zhǎng)片巖承載力特征值為450kPa。

孔隙水分布于第四系松散堆積物中，按照埋藏條件可分為上層滯水、包氣帶水和潛水。包氣帶水分布于襄棗盆地中的膨脹土中。上層滯水則主要賦存于包氣帶中的局部弱含水層中。潛水主要分布于引水線路下段的沖溝、河谷等地帶的松散砂性土、砂及砂卵石層中。

基巖裂隙水分布于基巖裂隙中。盆地和平原區(qū)則埋藏在松散堆積物以下。

3 暗涵優(yōu)化原則

在前階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，暗涵的地面高程統(tǒng)一采用一種最大埋深的高程進(jìn)行計(jì)算。此次優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)地面高程的變化，對(duì)暗涵結(jié)構(gòu)在實(shí)際埋深情況下采用分段設(shè)計(jì)，對(duì)不同段最大裂縫寬度允許值采用0.3mm設(shè)計(jì)，優(yōu)化襯砌斷面厚度，優(yōu)化配筋，減少低埋深情況下襯砌斷面的厚度，節(jié)約工程量。

4 暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 計(jì)算條件

本工程暗涵段埋深變化范圍較大，埋深0～22m。因此，根據(jù)不同條件，分埋深計(jì)算暗涵結(jié)構(gòu)內(nèi)力，合理確定，優(yōu)化截面尺寸，對(duì)工程安全及節(jié)省工程投資都十分必要。以下為按暗涵頂板埋深不同進(jìn)行的分組，暗涵結(jié)構(gòu)比選體型分類(lèi)表見(jiàn)表2。

（1）埋深0～5m，按照頂板以上5m埋深進(jìn)行計(jì)算；比選體型為A1型和A2型。

（2）埋深5～10m，按照頂板以上10m埋深進(jìn)行計(jì)算；比選體型為B1型和B2型。

（3）埋深10～15m，按照頂板以上15m埋深進(jìn)行計(jì)算；比選體型為C1型。

（4）埋深15～22m，按照頂板以上22m埋深進(jìn)行計(jì)算；比選體型為D1型。

表2 暗涵結(jié)構(gòu)比選體型分類(lèi)表 m

暗涵為單孔C25混凝土箱型結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)鋼筋采用Ⅲ級(jí)鋼筋，不同埋深下底板、頂板及側(cè)墻厚度不同。開(kāi)挖臨時(shí)邊坡巖基采用1∶0.75，覆蓋層1∶1.5。施工完畢后回填土至原地面高程。

各計(jì)算斷面處地下水水位取地面以下2m。

4.2 計(jì)算工況及荷載組合

本次計(jì)算選取的計(jì)算工況暗涵結(jié)構(gòu)的荷載組合見(jiàn)表3。

表3 暗涵結(jié)構(gòu)的荷載組合

4.3 計(jì)算荷載及計(jì)算參數(shù)

4.3.1 計(jì)算荷載

作用在暗涵結(jié)構(gòu)上的荷載有結(jié)構(gòu)自重、土壓力、車(chē)輛荷載、外水壓力、內(nèi)水壓力、地基支承反力等。

4.3.1.1 結(jié)構(gòu)自重

沿管身縱向取1.0m長(zhǎng)作為計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算，鋼筋混凝土容重取25kN/m3。

4.3.1.2 土壓力

土壓力分為鉛直土壓力和側(cè)向土壓力。側(cè)向土壓力按靜止土壓力計(jì)算；對(duì)于地面下暗涵斷面，鉛直土壓力和側(cè)向土壓力按溝埋式計(jì)算土壓力。

4.3.1.3 汽車(chē)荷載

按照J(rèn)TGD60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定，一般暗涵的堤頂行車(chē)道路多為交通量小、重型車(chē)少的非等級(jí)公路，在計(jì)算汽車(chē)荷載時(shí)，可按車(chē)輛荷載的0.7倍考慮。計(jì)算暗涵頂上車(chē)輛荷載引起的豎向土壓力時(shí)，車(chē)輪按其著地面積的邊緣向下左30°分布，一般最不利的車(chē)輛荷載多是一個(gè)汽車(chē)的后軸重力單獨(dú)作用于洞頂之上，后軸重力標(biāo)注值取2×140kN。4.3.2 計(jì)算參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)專(zhuān)業(yè)資料，本次計(jì)算采用參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 暗涵計(jì)算參數(shù)表

4.4 計(jì)算方法

暗涵結(jié)構(gòu)計(jì)算采用結(jié)構(gòu)的邊值問(wèn)題及數(shù)值解法，將暗涵結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)化為非線性常微分方程組的邊值問(wèn)題，采用初參數(shù)數(shù)值解法，并結(jié)合結(jié)構(gòu)的型式及荷載特點(diǎn)，以計(jì)算結(jié)構(gòu)在各主動(dòng)荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布。

4.5 計(jì)算結(jié)果

以計(jì)算條件中第2組為例，埋深5～10m，按照頂板以上10m埋深進(jìn)行計(jì)算。選取B1型和B2型2種暗涵分別計(jì)算比選，B1型暗涵底板厚0.4m，頂板厚0.4m，側(cè)墻厚0.4m和B2型暗涵底板厚0.5m，頂板厚0.6m，側(cè)墻厚0.6m。

4.5.1 內(nèi)力計(jì)算

受力情況如圖1～4所示；暗涵結(jié)構(gòu)受力統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

圖3 B2型暗涵軸力圖（單位：kN）

圖4 B2型暗涵彎矩圖（單位：kN?m）

4.5.2 配筋計(jì)算

綜合考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)行期及檢修期內(nèi)的受力特征，分別對(duì)暗涵B1型、B2型的底板、頂板和側(cè)墻進(jìn)行配筋計(jì)算，并對(duì)構(gòu)件典型斷面上的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6、7。

表6 B1型暗涵配筋及裂縫驗(yàn)算成果

表7 B2型暗涵配筋及裂縫驗(yàn)算成果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果可以看出，B1體型雖然側(cè)墻及底板厚度降到0.4m，但在內(nèi)外荷載的組合作用下結(jié)構(gòu)配筋率較大；B2體型底板厚度0.5m，側(cè)墻、頂板厚度0.6m，較B1體型厚度稍有增加，但結(jié)構(gòu)配筋率下降明顯。綜合結(jié)構(gòu)安全及鋼筋混凝土工程量等方面因素，此段暗涵推薦體型采用B2體型。

綜上所述，暗涵標(biāo)準(zhǔn)段（10m）頂板、側(cè)墻襯砌厚度可以由0.8m減至0.6m，底板襯砌厚度可以由0.8m減至0.5m，總計(jì)減少暗涵混凝土44.91m3。結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程量比較見(jiàn)表8。

表8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程量比較

4.5.3 優(yōu)化后體型

根據(jù)以上優(yōu)化過(guò)程，分別對(duì)本標(biāo)段內(nèi)不同埋深的暗涵結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算后，得出暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化后體型表，見(jiàn)表9。

表9 暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化后體型表 m

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本標(biāo)段暗涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化后總共可以節(jié)省鋼筋混凝土7595.3m3，鋼筋871t。

（2）本文結(jié)合鄂北工程暗涵結(jié)構(gòu)的典型工程實(shí)例，根據(jù)地形地質(zhì)條件，地下水情況，在保證過(guò)水?dāng)嗝娌蛔兊那闆r下，優(yōu)化襯砌厚度，節(jié)約了工程投資，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。該工程目前正在實(shí)施階段，為類(lèi)似EPC項(xiàng)目?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。