矣則河水庫跨南盤江倒虹吸拱管設(shè)計(jì)

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簡介： 華寧縣盤溪矣則河水庫，自1995年5月蓄水以來，盤溪大溝發(fā)揮了灌溉效益，在保證率Ｐ=７５％的情況下，每年尚多余水量５００多萬m3。而南盤江東岸片區(qū)冒洞溝以上林場(chǎng)等地尚有６３７５畝肥沃土地面積嚴(yán)重缺水。為充分利用水資源，擬建過江倒虹吸管跨越南盤江，“西水東調(diào)”解決江東片的灌溉問題。
關(guān)鍵字：矣則河水庫 跨南盤江 倒虹吸 拱管 設(shè)計(jì)

ｌ 前言

華寧縣盤溪矣則河水庫，自1995年5月蓄水以來，盤溪大溝發(fā)揮了灌溉效益，在保證率Ｐ=７５％的情況下，每年尚多余水量５００多萬m³。而南盤江東岸片區(qū)冒洞溝以上林場(chǎng)等地尚有６３７５畝肥沃土地面積嚴(yán)重缺水。為充分利用水資源，擬建過江倒虹吸管跨越南盤江，“西水東調(diào)”解決江東片的灌溉問題。

“西水東調(diào)”工程主要建筑物有：渠道１０.５２ｋm、渡槽44ｍ、倒虹吸1.836ｋm，總長12.4ｋm。其中，過江倒虹吸管長746.407ｍ，管徑500mm和500ｍｍ，流量０.５ｍ³／s、落差１１.１５ｍ、最大工作水頭１０５ｍ。過江橋段采用拱管型式布置，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有新穎的特點(diǎn)。

２ 工程布置

把水從江西跨越南盤江輸送到江東的工程方案較多。根據(jù)工程實(shí)際，結(jié)合多次踏勘，并經(jīng)水文分析、地質(zhì)勘察后，確定“西水東調(diào)”工程線路選擇在南盤江兩岸工程地質(zhì)條件較好、跨度相對(duì)較窄處（江面寬68ｍ），采用拱形管道代橋輸水。利用拱管本身的強(qiáng)度來跨越南盤江，中間不需另架橋支承，從而，結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)。

過江倒虹吸管設(shè)計(jì)通過流量０.5m^３／ｓ。經(jīng)水力計(jì)算，江西、江東兩岸采用φ500mm的鋼管。為加強(qiáng)側(cè)向穩(wěn)定，跨江拱管采用兩根φ400mm鋼管，兩管軸間距１.5m，其間設(shè)２０^#槽鋼聯(lián)系梁穩(wěn)固。拱管中段管壁厚１０mm，向兩端逐漸增厚到１６mm。拱管矢跨比１／８矢高９.0ｍ、半徑76.5m、半圓心角２８^°04′21″、弧長７４.９６４ｍ、跨度７２.0ｍ。布置草圖如下：

拱形跨江管道布置示意圖

３ 荷載組合及計(jì)算指標(biāo)

３.ｌ荷載組合

3.1.1作用于拱平面內(nèi)沿拱軸均布的垂直荷載，包括管重、水重及均化為線荷載的聯(lián)系梁自重ｑ＝０.３（t/m）。

3.1.2垂直于拱平面沿拱軸均布的水平風(fēng)荷載ｐ＝0.008（t/m）。

3.1.3溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)力。

根據(jù)《不良條件管道工程設(shè)計(jì)與施工手冊(cè)》，在一般情況下，拱形管道采用以上三項(xiàng)荷載作為計(jì)算荷載。

3.2計(jì)算指標(biāo)

工程區(qū)域的基本風(fēng)壓值取W₀=30（kg/m²），則水平風(fēng)線荷載Ｐ=Ｋ·Ｋ₂·W₀·ｄ=16（kg/ｍ）。其中：Ｋ＝1.02、Ｋ₂=1.2分別為風(fēng)載體型系數(shù)和風(fēng)壓高度變化系數(shù)。即作用于單管的P=8（kg/m）=0.008（t/m）。

考慮溫差變化為△ｔ=20（⁰C），對(duì)于A₃鋼，計(jì)算溫度下的彈性模量E=2.05×0⁷（t/m）；線膨脹系數(shù)α＝1.18×10^-5（m／ｍ·C^ｏ）；使用溫度下的屈服強(qiáng)度σ_t＝233.5MPa，允許計(jì)算強(qiáng)度σ_c=ｍ·ｍ₁·σ_t＝189MPa。其中：ｍ=0.9，ｍ₁＝0.9分別為工作條件系數(shù)和材料勻質(zhì)系數(shù)。

拱趾處管壁厚16mm，其截面積F＝0.021m^２，截面軸慣矩J=4.53×10^-4ｍ^４,截面模量Ｗ＝2.1×10^-3m^３，回轉(zhuǎn)半徑i=0.15ｍ。

４ 強(qiáng)度計(jì)算

4.1在拱趾處力的計(jì)算簡圖

4.2強(qiáng)度核算

4.2.1應(yīng)力校核

壓應(yīng)力σ＝Ｎ/Ｆ＋Ｍ/Ｗ=(Nｇ+ Ｎｔ）/Ｆ十/W=3931（t/M^2）=38.56MPa

剪應(yīng)力τ=Q/πr₀δ+Mk·r/2πr³₀δ

(δ=0.016m;r—外半徑為0.216m;r₀—平均半徑為0.208m)

Q==0.75

則τ=57.4（t/m²）=05.563Mpa

折算應(yīng)力σ₃==3932（t/m²）=38.57Mpa

σ₃<σ_c=189Mpa

    即折算應(yīng)力小于允許計(jì)算強(qiáng)度，滿足強(qiáng)度要求。

４.２.２穩(wěn)定性校校

當(dāng)量計(jì)算長度：

S₀=Φ·R/[1-（Φ/π）²]=38.996(m)

長細(xì)比： λ= S₀/i=38.996/0.15=260

相對(duì)偏心距系數(shù)：  ｅ_１＝η₁［（ Ｍp/N+2ΦR／1000）F/W+0.05］

當(dāng)λ>150時(shí)，η₁=1.0

則 e₁=(Mp/N+2ΦR/1000)F/W+0.05=2.36

穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)力σ₁

當(dāng) ｅ₁ ≤４時(shí)，按偏心受壓計(jì)：

σ₁＝Ｎ／Ｆ·Ψ_BH

Ψ_BH一偏心受壓構(gòu)件承載能力降低系數(shù)．?。?span lang="EN-US">.０８５；

則σ₁=（24.85＋0.33）/（0.021× 0.085）=14106（t/m）²=138.38MPA

σ₁<σ_c=189ＭＰａ

即穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)力小于允許計(jì)算強(qiáng)度，滿足穩(wěn)定要求。

５結(jié)語

該倒虹吸拱管于1997年１２月１８日正式動(dòng)工安裝，１２月27日安裝完成，歷時(shí)１０天。建成后的拱管空管在側(cè)向水平風(fēng)荷載作用下，有振顫現(xiàn)象，充滿水后，振顫消失。目前，拱管處于安全正常運(yùn)行之中。