南水北调中线一期工程天津干线输水箱涵结构计算分段及计算断面的选定（吴换营,黄福才,曹继富）

摘要：鉴于箱涵结构尺寸和配筋与覆土厚度、内水压力、箱涵孔径具有一定的规律性，通过对天津干线沿线箱涵的覆土厚度和内水压力的分析，确定应首先根据覆土厚度进行分段。根据箱涵荷栽特点和经济分析，对箱涵进行了合理的分段，在此基础上考虑代表性原则，选定计算断面进行具体的结构计算，这种分析方法使箱涵结构计算工作在满足安全可靠、经济合理的前提下，既符合实际又条理化、简捷化。

关键词：天津干线；输水箱涵；结构计算；计算断面；覆土厚度；内水压力

中图分类号：TV68 文献标识码：A 文章编号：1004-7328(2007)04-0059-03

1 工程概况

南水北调中线一期工程天津干线起点位于河北省徐水县西黑山村，终点位于天津市外环河西(西青区曹庄北)，总体走向由西向东，全长155．305 km。其中，河北省境内131．360 km，天津市境内23．945 km。天津干线设计流量为50 m3／s，加大流量为60 m3／s。

天津干线采用全箱涵无压接有压全自流输水方案，从箱涵内水流流态看，调节池以上以无压流为主，故称为无压输水段，调节池以下均为有压流，故称为有压输水段。天津干线主要建筑物有：西黑山进口闸枢纽、东黑山陡坡、无压段输水箱涵、调节池、有压段输水箱涵、保水堰井、王庆坨水库连接井、分流井、检修闸、通气孔、外环河出口闸等控制性建筑物及河渠、铁路和公路交叉建筑物。其中输水箱涵长145．81 km、占全线总长度的94％。

2 方法的提出

天津干线输水箱涵地基持力层多为第四系壤土、砂壤土，局部段有粉细砂，沿线地震动参数值和回填土的物理力学参数不同；沿线地下水位变化较大，有的地段低于建基面，有的地段距离地面不到1 m；受地形地势条件的限制及满足水力控制的要求，沿线箱涵内水压力和覆土厚度变化较大；另外，输水箱涵的运行工况又比较复杂。若以一定间距(如200～500 m)选取断面进行计算，则计算断面多，且由于计算条件多，箱涵结构计算繁杂，计算工作量非常大。在如此复杂的条件下，如何进行箱涵结构计算是一个值得研究的问题。鉴于箱涵结构尺寸和配筋与覆土厚度、内水压力、箱涵孔径具有一定的规律性，在满足安全可靠、经济合理的前提下，为使箱涵结构计算工作既符合实际又条理化、简捷化，经对覆土厚度、内水压力等主要影响因素及其敏感性的分析，确定应首先根据沿线箱涵孔数、孔径、覆土厚度、内水压力等主要影响因素对全线箱涵进行归纳、分段，再从中选择代表性断面进行计算。在具体的结构计算中，根据地震动参数和土的物理力学参数的具体情况再进一步具体的考虑。这里，仅对结构计算分段和计算断面的选取进行说明。

3 结构计算分段

3．1 结构计算分段原则

根据天津干线输水箱涵的孔数、孔径、覆土厚度、内水压力情况及箱涵这一结构型式本身的具体特点，确定输水箱涵结构计算的分段原则如下：

(1)根据箱涵内水流流态，箱涵共分为两大段即无压箱涵段和有压箱涵段。

(2)根据箱涵孔径不同，分为2孔 3．5 m×3．5 m(宽×高，下同)、2孔3．5 m×4．0 m、2孔4．0 m×4．0 m、2孔4．4 m×4．5 m、3孔4．4 m×4．4 m、2孔3．6 m×3．6m共6种。

(3)鉴于箱涵纵坡、水力压坡线均较缓并均为直线分布，且不论是无压箱涵还是有压箱涵，结构计算均与覆土厚度有着重要的关系，因此应首先根据箱涵的覆土厚度进行分段。

(4)既符合实际情况又利于工程安全。

3．2 覆土厚度变化幅度的确定

天津干线箱涵埋深变化范围为2．0～8．0 m，埋深2．0 m是箱涵纵断设计原则所要求的最小埋深。在箱涵埋深2．0～8．0 m变化范围内，合理确定箱涵覆土厚度变化幅度是结构计算分段的关键。

作用在无压箱涵上的荷载大小主要取决于箱涵覆土厚度即埋深大小，作用在有压箱涵上的荷载大小主要取决于箱涵覆土厚度和箱涵内水压力的大小。考虑到无压段箱涵长度较短，且结构受力相对简单，因此在此对有压段箱涵覆土厚度变化幅度进行探究。考虑到3孔4．4 m×4．4 m箱涵长度占总箱涵长度的90％，因此以3孔4．4 m×4．4 m箱涵为例，进行了5 m内水压力、不同覆土厚度(2．0～8．0 m)条件下的经济分析即覆土厚度与投资的关系分析，以便确定合理的覆土厚度变化幅度并用以进行箱涵的结构计算分段。具体经济分析成果见表1和图1。

由表1、图1可知，在覆土厚度2．0～8．0 m范围内，4 m覆土厚度是覆土厚度与延米箱涵综合投资和延米箱涵钢筋混凝土投资关系的一个转折点，在箱涵埋深大于4 m时，覆土厚度与延米箱涵综合投资和延米箱涵钢筋混凝土投资关系线斜率较大；而在箱涵埋深小于4 m时，覆土厚度与延米箱涵综合投资和延米箱涵钢筋混凝土投资关系线斜率较小。覆土厚度在4 m以下时，覆土厚度变化幅度2 m时，延米综合投资比和延米箱涵钢筋混凝土投资比分别为1．17和1．08；覆土厚度变化幅度1 m时。延米综合投资比在1．08～1．09范围，延米箱涵钢筋混凝土投资比在1．03～1．05范围；覆土厚度变化幅度0．5m时，延米综合投资比在1．02～1．06范围，延米箱涵钢筋混凝土投资比在0．99～1．o4范围。显而易见，变化覆土厚度2 m时，延米综合投资比及延米钢筋混凝土投资比均较大，按变化覆土厚度2 m进行箱涵结构计算分段明显不经济、不合理；变化覆土厚度0．5 m时，箱涵结构厚度和钢筋量变化很小，对延米投资影响很小，但分段太多，给设计、施工等带来诸多不便。综上所述，在覆土厚度4 m以下时，按变化覆土厚度1 m进行箱涵结构计算分段是经济合理、安全可靠的。

箱涵埋深大于4 m时，覆土厚度变化幅度1 m时，延米综合投资比在1．10～1．12范围，延米箱涵钢筋混凝土投资比在1．08～1．10范围，延米箱涵投资增加值较大。当然，箱涵埋深越大，箱涵的土方工程所占投资比重越大。可见，按覆土厚度变化幅度0．5 m进行箱涵结构计算分段是比较合理的。

现对天津干线埋深4 m以上的箱涵长度进行分析，无压段箱涵埋深4 m以上的长度为1 389 m，占无压段箱涵长度的19．05％ ；有压段箱涵埋深4 m以上的长度为17 510．5 m，占有压段箱涵长度的12．64％，其中埋深4～5 m的地段占埋深4 m以上总长度的80％。也就是说，天津干线145．81 km箱涵中，埋深4 m以上的箱涵长度为18 899．5 m，占12．96％，所占比例较小，为安全起见，对埋深4 m以上的箱涵仍以变化覆土厚度1 m进行箱涵结构计算分段。需说明的是，在可研和初步设计阶段，这是满足阶段深度要求的，在招标设计和施工图阶段则应进一步细化。

综上所述，按覆土厚度变化幅度1．0 m进行分段是经济合理、安全可靠的。

3．3 箱涵荷栽影响分析

作用在无压箱涵上的荷载主要以竖向土压力和侧向土压力为主，箱涵各构件处于偏心受压状态，随着覆土厚度的增加，作用在箱涵上的竖向土压力和侧向土压力增大，箱涵结构厚度和钢筋用量相应增加。根据前述覆土厚度与投资的关系，覆土厚度变化1．0 m时，箱涵结构厚度和钢筋量才会显著变化。

作用在有压箱涵上的荷载主要以竖向土压力、侧向土压力和箱涵内水压力3种荷载为主，作用在箱涵上的竖向土压力、侧向土压力属于外荷载，作用在箱涵上的内水压力属于内荷载。由于受外荷载和内荷载的共同作用，有压段箱涵结构受力就变得非常复杂。

当外荷载明显大于内荷载时，箱涵各构件主要处于偏心受压状态，随着作用在箱涵上的外荷载的增加，箱涵结构厚度和钢筋用量相应增加，荷载影响分析同无压箱涵。

当内荷载明显大于外荷载时，箱涵各构件主要处于偏心受拉状态，随着作用在箱涵上的内荷载的增加，箱涵结构厚度和钢筋用量相应增加。正常运行工况下天津干线沿线内水压力范围为5．0～12．0 m，事故工况下沿线内水压力范围为6．0～14．0 m，经以3孔4．4 m×4．4 m箱涵为例、在2 m覆土、不同内水压力(4～16 m)条件下的经济分析(分析方式同表1、图1，在此略)可知，箱涵对内水压力的作用非常敏感；内水压力变化幅度2 m时，箱涵延米投资比在1．08～1．11范围；内水压力变化幅度1 m时，箱涵延米投资比在1．04～1．05范围，也就是说箱涵内水压力变化1．0 m时箱涵结构厚度和钢筋用量就会显著变化。

当内荷载与外荷载基本平衡时，有压段箱涵结构受力就变得更为复杂。不同运行工况时，箱涵各构件受力状态不同，一部分构件处于偏心受拉状态，一部分构件处于偏心受压状态，且随着作用在箱涵上的内荷载和外荷载的变化而变化。当箱涵覆土厚度变化1．0 m或内水压力变化1．0 m时，箱涵结构厚度和钢筋用量就会显著变化。

3．4 结构计算分段

根据结构计算的分段原则，基于箱涵覆土厚度变化幅度和荷载影响分析，结合沿线箱涵的覆土厚度、孔数、孔径、运行工况及内水压力等具体情况，对沿线箱涵进行了分段。无压段箱涵共有4种断面尺寸，对同一种断面尺寸的箱涵，根据覆土厚度情况进一步进行分段，无压段箱涵共划分15个段；有压段箱涵共有2种断面尺寸，根据覆土厚度和内水压力的相对关系，有压段箱涵共划分68个段，其中3孔4．4 m×4．4 m箱涵共划分了65个段、2孔3．6 m×3．6m箱涵共划分了3个段。

4 计算断面的选定

4．1 无压段输水箱涵计算断面的选定

对无压段输水箱涵15个段，以箱涵孔径为基础，结合覆土情况并考虑代表性原则，从中选定1O个计算断面。具体选定情况如下：

(1)2孔3．5 m×4．0 In箱涵，埋深有4个区间，故选定4个计算断面。

(2)2孔3．5 m×3．5 m箱涵，埋深有2个区间，故选定2个计算断面。

(3)2孔4．0 m×4．0 m箱涵，埋深有1个区间，故选定1个计算断面。

(4)2孔4．4 m×4．5 m箱涵，埋深有3个区间，故选定3个计算断面。

4．2 有压段输水箱涵计算断面的选定

4．2．1 有压段3孔箱涵计算断面的选定

有压段3孔4．4 m×4．4 m输水箱涵共有65个段，埋深有6个区间，即2．0—3．0 m、3．0～4．0 m、4．0～5．0 m、5．0～6．0 m、6．0～7．0 m、7．0～8．0 m，由于受内水压力和覆土厚度的共同影响，首先以埋深为标准进行归类．再根据荷载影响分析，以不同运行工况下内水压力大小为依据，并考虑代表性原则选定计算断面。通过分析，共选定29个计算断面。

4．2．2 有压段2孔箱涵计算断面的选定

有压段2孔3．6×3．6 m箱涵共划分了3个段，埋深有2个区间，即2．0～3．0 m、3．0～4．0 m。由于内水压条件相同，因此选定2个计算断面。

通过以上箱涵计算断面选取分析，有压箱涵段共选定31个计算断面。

综上所述，天津干线无压输水段和有压输水段箱涵共选定41个计算断面。

5 结语

天津干线箱涵纵坡、水力压坡线均较缓，且均为直线分布，考虑到不论是有压箱涵还是无压箱涵，结构计算均与覆土厚度有着重要的关系，为此首先根据箱涵的覆土厚度进行分段。通过技术经济分析，确定了合理的覆土厚度变化幅度。对于同一覆土厚度，又进行了不同内水压力的影响分析，并确定了合理的变化幅度。在此基础上，对全线箱涵进行了归纳、分段，基于应具有一定代表性原则选取了计算断面。对于长距离输水箱涵，此种分析方法是非常必要的、也是满足工程要求的，使箱涵结构计算工作既符合实际又能条理化、简捷化，可为同类工程的结构分析计算提供借鉴。

作者简介：吴换营(1969-)，男，硕士，高级工程师，主要从事水利工程设计、技术管理工作。

来源：《海河水利》2007.4