南水北調(diào)中線淇河倒虹工程過水變形仿真分析

1、南水北調(diào)中線淇河倒虹工程過水變形仿真分析摘要：用二維線性有限元對南水北調(diào)中線工程淇河倒虹吸箱型構(gòu)造進(jìn)展了仿真分析，使用國際知名軟件ANSYS建立了計算模型，模擬了倒虹吸箱型構(gòu)造在兩種工況作用下的變形情況，最大程度位移為2.13，,最大垂直位移為13.93，最大不均勻垂直位移為5.5。為淇河倒虹吸箱型構(gòu)造設(shè)計提供了有價值的參考資料。關(guān)鍵詞：南水北調(diào)線性有限元ANSYS倒虹吸箱型構(gòu)造1.引言南水北調(diào)中線工程是我國解決華北水資源緊缺的一項重大戰(zhàn)略措施，是一項世界上空前浩大的跨流域的特大型的調(diào)水工程?？偢汕缘そ谒畮焯詹砬字帘本﹫F(tuán)城湖全長1272k。南水北調(diào)中線干線河南省段為700多k，穿插建筑物

2、甚多，其中河渠倒虹吸是河渠穿插建筑物中數(shù)量最多的一種，從沙河南到漳河南渠段就有河、渠倒虹吸50余座，總長達(dá)16000多。由于倒虹吸設(shè)計流量大(630800項式3/)，流速小，管身規(guī)模較已建成的倒虹吸工程大得多。淇河倒虹管身為采用3孔一聯(lián)的混凝土箱型構(gòu)造，分成兩聯(lián)，共6孔，每孔斷面積為66，如圖1所示。順?biāo)鞣较蛎抗?jié)管長為15，管身混凝土設(shè)計標(biāo)號為30，彈性模量為1=3104Pa，泊松比1=0.167，容重為25kN/3。淇河地基為粘土巖，彈性模量2=30Pa，泊松比2=0.3，浮容重為10kN/3，飽和容重為20kN/3，土的內(nèi)摩擦角為25(水下亦為25)。倒虹吸管身修建時采用先開挖，修建完成

3、后回填土，管頂填土高2.6，開挖邊坡距管道外邊線為5，邊坡為1:2。2.計算模型考慮到倒虹吸構(gòu)造本身對稱，地基均一，所受荷載也對稱，因此計算時，取一聯(lián)對稱構(gòu)造進(jìn)展計算，在進(jìn)展二維線性有限元計算時，取順?biāo)鞣较驗?厚的箱形構(gòu)造進(jìn)展計算。箱形構(gòu)造頂板和柱子厚度為0.9，底板厚度為1。為考慮地基對構(gòu)造的影響，地基所取范圍右邊以對稱軸為界，左邊橫向取54(約為箱型構(gòu)造長度的2.5倍)，深度取21(約為箱型構(gòu)造高的2.7倍)。對所取計算范圍內(nèi)的地基，其右側(cè)為對稱軸，只有垂直位移而無側(cè)向位移，故采用程度鏈桿約束；其左側(cè)視為無垂直位移和程度位移，采用鉸結(jié)約束，其底部亦采用鉸結(jié)約束。使用國際知名有限元軟件AN

4、SYS2建立計算模型，坐標(biāo)原點(diǎn)位于箱形構(gòu)造的左下角，軸正向指向右，Y軸正向指向上。地基外表局部，除倒虹吸箱型構(gòu)造外，其余回填土局部對地基的作用按回填土高度轉(zhuǎn)化為線性分布荷載考慮。根據(jù)倒虹吸箱型構(gòu)造的幾何特性，倒虹吸箱型構(gòu)造和地基采用四邊形等參單元，為盡可能減少計算工作量，網(wǎng)格劃分時，倒虹吸箱型構(gòu)造本身布置較密，而在地基局部那么布置較稀疏，總共1948個單元，2187個結(jié)點(diǎn)。3.計算工況與荷載分析淇河在100年一遇洪水時，管道不通水，此時河道水深為14.22。當(dāng)管道過水時，倒虹吸進(jìn)口水面至倒虹吸頂板底面的水深為13.32。因此淇河倒虹吸設(shè)計本文考慮兩種運(yùn)行狀態(tài)，工況：河道有水，倒虹管內(nèi)無水；工況

5、：河道無水，倒虹管內(nèi)全有水；工況：河道無水，倒虹管內(nèi)左孔有水，其余兩孔無水。工況：河道無水，倒虹吸管內(nèi)中孔有水，其余兩孔無水。工況：河道無水，倒虹管內(nèi)右孔有水，其余兩孔無水。12工況荷載分析：1倒虹頂部垂直土壓力和水壓力：倒虹構(gòu)造頂部有2.6厚的填土，填土容重按飽和容重20kN/3計，河槽水深14.22，垂直荷載總計為194.2kN/3。2側(cè)向土壓力：左側(cè)回填土的側(cè)向土壓力按主動土壓力公式計算。由于回填土在水下，故取浮容重計算。左側(cè)水壓力為梯形分布。右側(cè)由于在水下，縫中無填料，僅作用有梯形分布的靜水壓力。3地基反力按直線分布或文克爾假定計算。工況荷載分析：1倒虹頂部垂直土壓力按飽和容重20kN

6、/3計，垂直荷載總計為52.0kN/3。2側(cè)向土壓力：主動土壓力公式計算，取飽和容重，摩擦角為25。3孔內(nèi)水壓力：按靜力壓力計算，以作用在孔內(nèi)壁的靜水壓力為準(zhǔn)。4地基反力按直線分布或文克爾假定計算。工況、荷載分析：除管道內(nèi)的靜水壓力分別計為左、中、右外，其他荷載與工況一樣。在計算內(nèi)水壓力時考慮了加掖局部的開關(guān)和尺寸，倒虹箱型構(gòu)造左側(cè)回填的作用考慮為邊荷載，按回填土柱重量進(jìn)展計算。4.計算結(jié)果五種運(yùn)行工況作用下的南水北調(diào)中線淇河倒虹吸箱型構(gòu)造的變形如圖2、3、4、5、6所示。箱型構(gòu)造四個角點(diǎn)的程度位移和垂直位移見表1。計算可得倒虹吸箱型構(gòu)造最大的程度位移為2.13，最大的垂直位移為13.93營農(nóng)

7、場,最大不垂直位移為5.5。其中程度位移值比2稍大一些，由于按二維有限元計算值偏大，實際按三維計算位移值是小的，故一般工程上可以滿足要求。工況為最不利工況，其次為工況和工況，為虹吸箱型構(gòu)造設(shè)計提供了有價值的參考數(shù)據(jù)。參考文獻(xiàn):1ANSYS入門手冊上、下，北京：美國ANSYS公司北京辦事處，1998.2南水北調(diào)中線工程淇河倒虹構(gòu)造計算研究報告R，1996.3周飛平，李鵬輝，周鴻鈞。大型箱型構(gòu)造二維非線性有限元分析J，鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，201：29-32。SiulatinAnalysisfDefratinfrtheReverseSiphnZhaxia-xi1，zhufEi-ping2，a

8、ngzng-in1，Zhuhng-jun1(1.ShlfHydrauliEnvirnentalEng,ZhengzhuUniversity,Zhengzhu450002,hina2.llegefaternservanyHydrperEng,TsinghuaUniversity,Beijing100084,hina)Abstrat:Thetdiensinalfiniteeleentethdsareusedtanalyzethelargebx-likestruturefthereversesiphnftheiddleRutefSuth-t-NrthaterTransfer.Therearetkindsfladbinatinstaffetnthebx-likestruture.Theirntributinsandstat