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南水北調(diào)中線工程倒虹吸斜管段抗滑穩(wěn)定計算分析
反向虹吸技術(shù)是廣泛應(yīng)用于陰離子工程中的河流路線交叉口建筑物。它主要由進出口的漸進段、門的段和管理段組成,其中管理段占主導(dǎo)地位,其穩(wěn)定性直接影響整個建筑物的安全。渠道倒虹吸布置時,管身段水平投影長度比較短,水平管段與斜管段布置較緊湊,當管身建基面所處位置的地下水位較高、地質(zhì)條件較差時,僅考慮基底與基礎(chǔ)之間的摩阻力計算出來的斜管段抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)往往不滿足允許值。遇到此類問題一般的解決辦法是放緩斜管段坡比,而斜管段的坡比影響倒虹吸的總體長度,進而影響建筑物及整個工程的投資。因此,全面合理地考慮影響抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響因素并進行綜合分析計算,使工程設(shè)計建立在既可靠又經(jīng)濟的基礎(chǔ)上是十分必要的。1抗滑穩(wěn)定驗算的基本公式斜管段抗滑穩(wěn)定按照《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL265—2001)中的相關(guān)規(guī)定進行計算:Κc=f(Wycosα-Wxsinα)Wysinα+Wxcosα≥[Κc](1)Kc=f(Wycosα?Wxsinα)Wysinα+Wxcosα≥[Kc](1)式中:Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);Wy、Wx分別為作用在管段上除基底反力外全部作用力合力的垂直分量與水平分量;α為管段建基面傾角;f為管段與建基面之間的滑動摩擦系數(shù);[Kc]為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值,基本組合、特殊組合、地震組合情況下[Kc]分別為1.35、1.2、1.1。采用該公式計算時,僅考慮了基底與基礎(chǔ)之間的摩阻力,所得結(jié)果雖然安全可靠但偏于保守,因此必須對抗滑穩(wěn)定安全計算中所涉及的影響因素進行綜合全面的分析。影響抗滑安全系數(shù)的主要因素有管身側(cè)向摩阻力、管身頂部摩阻力,以及地下水位較高時計算管節(jié)首末端分縫處的外水壓力等。1.1管節(jié)長度的計算管身側(cè)向摩阻力大小由管身側(cè)向土壓力引起和決定,因此應(yīng)對管身兩側(cè)回填土參數(shù)和地下水位情況進行分析。計算簡圖見圖1。側(cè)向土壓力計算式為{f1=kαr1h1kα=1-sinφ′G1=f1h2Lf2=kαr′1h2G2=0.5f2h2L(2)???????????????f1=kαr1h1kα=1?sinφ′G1=f1h2Lf2=kαr′1h2G2=0.5f2h2L(2)式中:f1、f2為作用于邊墻的側(cè)向土壓力(按照靜止土壓力公式計算);G1、G2為作用于邊墻的總土壓力;kα為靜止土壓力系數(shù);r1為土體天然容重;r′1為土體浮容重;h1為管頂以上填土厚度;φ′為回填土有效內(nèi)摩擦角;h2為管身高度;L為研究管節(jié)長度。則側(cè)向摩阻力G側(cè)計算式為G側(cè)=(G1+G2)μ=h2L(1-sinφ′)(r1h1+0.5r′1h2)μ(3)G側(cè)=(G1+G2)μ=h2L(1?sinφ′)(r1h1+0.5r′1h2)μ(3)式中:μ為側(cè)向摩阻力系數(shù)。在選取μ時,不主張采用壓實回填土摩阻力系數(shù),原因是隨著時間的推移,管身邊墻側(cè)的填土?xí)粩喙探Y(jié),土體變形基本完成,而管身本身會出現(xiàn)變形,這樣可能引起邊墻外側(cè)土與管身之間的擠壓接觸不如管身底部好,建議μ值適當取小些。1.2滑動管頂填土不滑動進行斜管段抗滑穩(wěn)定計算時,是否考慮管頂摩阻力的影響,要結(jié)合管身斜管段的布置和管頂填土厚度及范圍來綜合考慮。如果考慮管身頂部摩阻力,管身本身將發(fā)生抽動式滑動,即管頂填土不滑動而管身滑動,這種布置形式主要在寬淺且大流量的河道中采用,斜管段管頂填土比較厚,填土整體性較好。在南水北調(diào)工程設(shè)計中,渠道倒虹吸建筑物的等級為特大型,本著確保結(jié)構(gòu)安全可靠和節(jié)約工程投資的原則,倒虹吸管身進、出口斜管段應(yīng)盡量靠近穿越河道的外坡腳線處,以減少管身長度;而且斜管段管頂以上填土也比較薄,這樣使得管頂以上的填土連續(xù)性不理想,管身一旦發(fā)生滑動,管頂填土也將跟隨管身發(fā)生滑動,在這種情況下,不應(yīng)考慮管頂填土的摩阻力影響。1.3管節(jié)分縫處外水壓力當建筑物所處場地的地下水位較高時(即地下水位在所研究管節(jié)建基面以上),管節(jié)分縫處外水壓力的影響較大。在南水北調(diào)渠道倒虹吸設(shè)計中,倒虹吸管壁厚度較大,分縫處止水布置在管壁的內(nèi)側(cè),這就使得外水所接觸的實際面積比較大,所產(chǎn)生的水壓力不容忽視;而且地下水位越高,水壓力影響越明顯。1.4圖1:美國圖2,我國計算公式力學(xué)模型將上述各種影響因素產(chǎn)生的作用力計算出來后,在X、Y方向上分別疊加,再按照抗滑穩(wěn)定計算公式進行計算。計算簡圖見圖2。Y軸方向外荷載分量:FY=(G土+G內(nèi)水+G管)cosα+G外水sinα-0.5(Η1+Η2)rLB(4)FY=(G土+G內(nèi)水+G管)cosα+G外水sinα?0.5(H1+H2)rLB(4)X軸方向外荷載分量:FX=(G土+G管+G內(nèi)水)sinα-G側(cè)-G外水cosα(5)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù):Κc=fFY/FX(6)2地下水位與抗滑穩(wěn)定的影響黃河北十里河渠道倒虹吸采用“3孔1聯(lián)”箱型普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),橫截面尺寸為7m×7.3m,水平投影長140m,頂板、底板、邊墻均厚1.20m,中隔墻厚1.10m,該倒虹所處地段地下水位較高,土質(zhì)為中粉質(zhì)壤土,基底摩擦系數(shù)f為0.31,進、出口斜管段管頂填土平均厚度分別為5.70、4.90m。對倒虹吸進、出口斜管段的抗滑穩(wěn)定計算分別就僅考慮管底摩阻力和綜合考慮主要影
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