朱 熙，陳虹旭，唐志波

（四川大學(xué)水利水電學(xué)院,四川 成都 610000）

隨著現(xiàn)代施工技術(shù)的提高,橫跨于大河之上的渡槽比比皆是,然而其中運(yùn)用midas civil軟件進(jìn)行有限元受力分析的卻不太普遍,本工程中的鯽江河渡槽拱跨徑為60 m,高度為15 m,為跨度較大的拱槽結(jié)構(gòu),本文通過 MIDAS Civil 建模及動態(tài)演示對拱槽對其受力情況進(jìn)行分析,結(jié)合相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案使施工做到經(jīng)濟(jì)、安全,為其他拱槽設(shè)計(jì)提供借鑒作用。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

穆家溝水庫工程位于鯽江河支流穆家溝上,穆家溝屬于岷江左岸二級支溝,鯽江河右岸一級支溝。壩址位于眉山市東坡區(qū)崇禮鎮(zhèn)柏楊村,距眉山市約9 km,距成都市約83 km,壩址下游有簡易道路通往壩址位置,對外交通條件一般。

穆家溝水庫工程是一項(xiàng)農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村生活供水等綜合利用的中型水利工程,并作為眉山市城區(qū)應(yīng)急備用水源。水庫供水范圍包括崇禮、金花、復(fù)興、柳圣4個鄉(xiāng)鎮(zhèn),總灌溉面積6.10 萬畝；供水人口3.83 萬人。工程多年平均供水量2225 萬m3,其中東風(fēng)渠直供水量553 萬m3,水庫供水量1672 萬m3。

穆家溝水庫工程壩址控制集水面積15.6 km2,主河道河長8.10 km,平均比降6.35‰。校核洪水位446.59 m,設(shè)計(jì)洪水位446.27 m,正常蓄水位445.50m,死水位435.00 m。水庫總庫容1408 萬m3,正常蓄水位對應(yīng)庫容1237 萬m3,興利庫容1029 萬m3,死庫容208 萬m3。穆家溝水庫工程包括樞紐工程及灌區(qū)工程。其中灌區(qū)工程左干渠最低取水位為435.00 m（死水位）,設(shè)計(jì)引水流量2.90 m3/s,全長5.67 km。左干渠跨鯽江河渡槽設(shè)計(jì)過流能力為2.45 m3/s,加大流量為3.06 m3/s,左干渠跨鯽江河渡槽提高一級為4 級建筑物。

1.2 渡槽布置

渡槽全長413.24 m,分別為3 跨9.413 m渡槽段（Z3+473.69～Z3+501.93）、38 跨10 m渡槽段（Z3+501.93～Z3+881.93）、5 m漸變段（Z3+881.93～Z3+886.93）。渡槽上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),下部結(jié)構(gòu)為排架形式,排架尺寸詳見圖紙部分?？缭仅a江河采用1孔跨拱結(jié)構(gòu),矢跨比為1/4,拱跨徑為60 m,高度為15 m,拱肋、基座等尺寸見圖1。

圖1 鯽江河渡槽縱斷面布置圖（單位：cm）

2 現(xiàn)澆拱槽施工簡述控制

施工工序：過河基礎(chǔ)施工（河道涵管設(shè)置及過河圍堰施工）→施工腳手架支設(shè)→鋼筋制作及綁扎、安裝→模架安裝→荷載預(yù)壓→澆筑前驗(yàn)收→ 混凝土澆筑→拆模養(yǎng)護(hù)。

2.1 過河基礎(chǔ)施工方案（河道涵管設(shè)置與圍堰施工）

因拱槽橫跨鯽江河,為后面腳手架和模板的支設(shè)施工,需在河中設(shè)一導(dǎo)流涵管,將河中間用土夯實(shí)。鯽江河河面寬度約45 m,采取臨時圍堰分段施工。本工程采用連砂石回填夯實(shí)、安裝DN2000 鋼筋混凝土排水管過水,連砂石上部澆筑C20鋼筋混凝土（厚度20 cm）,過水迎水面及背水面澆筑C20鋼筋混凝土（厚度20 cm）與上部墊層連為一體,為防止過流對鋼筋混凝土管造成變形位移,將迎水面及背水面混凝土與排水管壁厚范圍布鋼筋澆筑混凝土連為一體,并深入河床高程1 m以下,防止混凝土位移。

2.2 腳手架施工

清表、整平夯實(shí)處理完成后,澆筑200 mm厚C20砼作為腳手架墊層,每根直桿下鋪木方,再進(jìn)行上部排架的搭設(shè),排架材料采用Φ48 mmδ=3.6 mm普通腳手架鋼管。本工程腳手架搭設(shè)最高高度24 m,采用滿堂腳手架支設(shè),中間4.8 m為承重腳手架,間距、排距、步距均為0.6 m,兩側(cè)為輔助腳手架間距、排距、步距均為1.2 m。滿堂腳手架布設(shè)寬度總共為9.6 m；水平剪刀撐及豎向剪刀撐均全斷面布置。豎向剪刀撐從掃地桿開始延伸至工作平臺全斷面布設(shè),橫向豎向剪刀撐全斷面布置,縱向豎向剪刀撐兩側(cè)各設(shè)一道。水平剪刀撐全斷面布設(shè),設(shè)置在掃地桿及腳手架頂部各一道,中間部位不超過8 m設(shè)置一道；抗傾覆斜拉,沿腳手架邊緣兩側(cè)分別設(shè)置抗傾覆斜拉,斜拉基礎(chǔ)采用C15 素混凝土,斜拉混凝土距腳手架邊緣間距10 m,排距10 m；斜道設(shè)置在橫向左側(cè),斜坡寬度1.2 m,水平平臺寬度長度為1.2 m×1.2 m,從掃地桿位置開始至槽底工作面設(shè)置,斜道坡度為1∶3。

2.3 模板施工

本工程承臺基礎(chǔ)、排架柱、頂梁（橫梁）、槽身等位置采用的組合鋼模板,細(xì)部處理、槽身轉(zhuǎn)角、混凝土輸送預(yù)留洞口等采用規(guī)格1830 mm×830 mm×18 mm的木模板進(jìn)行模板支設(shè)。

2.4 荷載預(yù)壓

為減小拱槽沉陷,拱肋模架施工完成后,按照設(shè)計(jì)的荷載對拱架進(jìn)行預(yù)壓,采用塔吊將等同于設(shè)計(jì)荷載的沙袋吊裝至預(yù)壓部位,使之達(dá)到預(yù)壓值。

2.5 混凝土澆筑

本工程主體工程混凝土采用集中拌制,由混凝土拌和系統(tǒng)集中提供。拌和系統(tǒng)的拌和強(qiáng)度為60 m3/h。

3 計(jì)算條件

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）[1]要求第3.2.2條：承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時,結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算截面上荷載效應(yīng)組合見表1。

表1 荷載工況表

3.2 模型建立使用荷載基本參數(shù)

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）要求第3.2.2條：承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時,結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算截面上荷載效應(yīng)組合見表2。

表2 荷載工況表

4 計(jì)算結(jié)果與分析

采用midas軟件建立渡槽模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,模型見圖2。

圖2 拱渡槽結(jié)構(gòu)模型圖

4.1 工況一計(jì)算結(jié)果

控制截面驗(yàn)算表格見表3。

表3 構(gòu)件控制內(nèi)力、配筋表

（1）偏心受壓驗(yàn)算：

在承載能力極限狀態(tài)組合（最不利工況）下,拱肋彎矩、對應(yīng)軸力內(nèi)力及截面偏心受壓驗(yàn)算見表4,拱肋偏心受壓承載能力滿足要求。

表4 力與彎矩平衡表

（2）斜截面抗剪驗(yàn)算：

根據(jù)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）,符合KV≤Vc時,可不進(jìn)行斜截面驗(yàn)算,僅按照構(gòu)造配筋即可。

其中最大截面KV=1.15×278=319.7≤Vc=0.7ftbh0=807 kN,通過計(jì)算,拱肋截面在基本組合（最不利工況）下斜截面滿足抗剪要求。

通過以上計(jì)算,拱肋在基本組合作用（最不利工況）下,截面強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

（3）拱肋裂縫寬度驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）7.2.1,當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件滿足7.1.1條抗裂要求時,可不再進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。

對于偏心受壓構(gòu)件,在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合（最不利工況）下,抗裂驗(yàn)算規(guī)定為：

4.2 工況二計(jì)算結(jié)果

控制截面驗(yàn)算表格見表5。

表5 構(gòu)件控制內(nèi)力、配筋表

4.2.1 偏心受壓驗(yàn)算

在地震組合下,拱肋彎矩、對應(yīng)軸力內(nèi)力及截面偏心受壓驗(yàn)算見表6,拱肋偏心受壓承載能力滿足要求。

表6 力與彎矩平衡表

4.2.2 斜截面抗剪驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008）,符合KV≤Vc時,可不進(jìn)行斜截面驗(yàn)算,僅按照構(gòu)造配筋即可。

其中最大截面KV=1.15×225.3=259.1≤Vc=0.7ftbh0=807 kN,通過計(jì)算,拱肋截面在地震組合下斜截面滿足抗剪要求。

通過以上計(jì)算,拱肋在地震組合作用下,截面強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)語

采用 MIDAS Civil 受力軟件能夠很好地對渡槽的排架及拱肋進(jìn)行有限元模擬,有效解決支撐系統(tǒng)因計(jì)算不合理導(dǎo)致出現(xiàn)安全隱患及在校核設(shè)計(jì)方案存在的不足及富裕度問題[2],在經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)點(diǎn)也較為突出。鯽江河渡槽受力驗(yàn)算采用以上計(jì)算軟件,節(jié)省了大量時間,而且施工相對方便,也節(jié)省了人力,同時加快了施工進(jìn)度,確保了施工安全。為同類水電站基礎(chǔ)施工提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)。