南水北调中线工程倒虹吸斜管段抗滑稳定计算分析

南水北调中线工程倒虹吸斜管段抗滑稳定计算分析

反向虹吸技术是广泛应用于阴离子工程中的河流路线交叉口建筑物。它主要由进出口的渐进段、门的段和管理段组成，其中管理段占主导地位，其稳定性直接影响整个建筑物的安全。渠道倒虹吸布置时,管身段水平投影长度比较短,水平管段与斜管段布置较紧凑,当管身建基面所处位置的地下水位较高、地质条件较差时,仅考虑基底与基础之间的摩阻力计算出来的斜管段抗滑稳定安全系数往往不满足允许值。遇到此类问题一般的解决办法是放缓斜管段坡比,而斜管段的坡比影响倒虹吸的总体长度,进而影响建筑物及整个工程的投资。因此,全面合理地考虑影响抗滑稳定安全系数的影响因素并进行综合分析计算,使工程设计建立在既可靠又经济的基础上是十分必要的。1抗滑稳定验算的基本公式斜管段抗滑稳定按照《水闸设计规范》(SL265—2001)中的相关规定进行计算:Κc=f(Wycosα-Wxsinα)Wysinα+Wxcosα≥[Κc](1)Kc=f(Wycosα−Wxsinα)Wysinα+Wxcosα≥[Kc](1)式中:Kc为抗滑稳定安全系数;Wy、Wx分别为作用在管段上除基底反力外全部作用力合力的垂直分量与水平分量;α为管段建基面倾角;f为管段与建基面之间的滑动摩擦系数;[Kc]为抗滑稳定安全系数允许值,基本组合、特殊组合、地震组合情况下[Kc]分别为1.35、1.2、1.1。采用该公式计算时,仅考虑了基底与基础之间的摩阻力,所得结果虽然安全可靠但偏于保守,因此必须对抗滑稳定安全计算中所涉及的影响因素进行综合全面的分析。影响抗滑安全系数的主要因素有管身侧向摩阻力、管身顶部摩阻力,以及地下水位较高时计算管节首末端分缝处的外水压力等。1.1管节长度的计算管身侧向摩阻力大小由管身侧向土压力引起和决定,因此应对管身两侧回填土参数和地下水位情况进行分析。计算简图见图1。侧向土压力计算式为{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为作用于边墙的侧向土压力(按照静止土压力公式计算);G1、G2为作用于边墙的总土压力;kα为静止土压力系数;r1为土体天然容重;r′1为土体浮容重;h1为管顶以上填土厚度;φ′为回填土有效内摩擦角;h2为管身高度;L为研究管节长度。则侧向摩阻力G侧计算式为G侧=(G1+G2)μ=h2L(1-sinφ′)(r1h1+0.5r´1h2)μ(3)G侧=(G1+G2)μ=h2L(1−sinφ′)(r1h1+0.5r′1h2)μ(3)式中:μ为侧向摩阻力系数。在选取μ时,不主张采用压实回填土摩阻力系数,原因是随着时间的推移,管身边墙侧的填土会不断固结,土体变形基本完成,而管身本身会出现变形,这样可能引起边墙外侧土与管身之间的挤压接触不如管身底部好,建议μ值适当取小些。1.2滑动管顶填土不滑动进行斜管段抗滑稳定计算时,是否考虑管顶摩阻力的影响,要结合管身斜管段的布置和管顶填土厚度及范围来综合考虑。如果考虑管身顶部摩阻力,管身本身将发生抽动式滑动,即管顶填土不滑动而管身滑动,这种布置形式主要在宽浅且大流量的河道中采用,斜管段管顶填土比较厚,填土整体性较好。在南水北调工程设计中,渠道倒虹吸建筑物的等级为特大型,本着确保结构安全可靠和节约工程投资的原则,倒虹吸管身进、出口斜管段应尽量靠近穿越河道的外坡脚线处,以减少管身长度;而且斜管段管顶以上填土也比较薄,这样使得管顶以上的填土连续性不理想,管身一旦发生滑动,管顶填土也将跟随管身发生滑动,在这种情况下,不应考虑管顶填土的摩阻力影响。1.3管节分缝处外水压力当建筑物所处场地的地下水位较高时(即地下水位在所研究管节建基面以上),管节分缝处外水压力的影响较大。在南水北调渠道倒虹吸设计中,倒虹吸管壁厚度较大,分缝处止水布置在管壁的内侧,这就使得外水所接触的实际面积比较大,所产生的水压力不容忽视;而且地下水位越高,水压力影响越明显。1.4图1:美国图2,我国计算公式力学模型将上述各种影响因素产生的作用力计算出来后,在X、Y方向上分别叠加,再按照抗滑稳定计算公式进行计算。计算简图见图2。Y轴方向外荷载分量:FY=(G土+G内水+G管)cosα+G外水sinα-0.5(Η1+Η2)rLB(4)FY=(G土+G内水+G管)cosα+G外水sinα−0.5(H1+H2)rLB(4)X轴方向外荷载分量:FX=(G土+G管+G内水)sinα-G侧-G外水cosα(5)抗滑稳定安全系数:Κc=fFY/FX(6)2地下水位与抗滑稳定的影响黄河北十里河渠道倒虹吸采用“3孔1联”箱型普通钢筋混凝土结构,横截面尺寸为7m×7.3m,水平投影长140m,顶板、底板、边墙均厚1.20m,中隔墙厚1.10m,该倒虹所处地段地下水位较高,土质为中粉质壤土,基底摩擦系数f为0.31,进、出口斜管段管顶填土平均厚度分别为5.70、4.90m。对倒虹吸进、出口斜管段的抗滑稳定计算分别就仅考虑管底摩阻力和综合考虑主要影