水利工程論文-南水北調(diào)中線淇河倒虹工程過(guò)水變形仿真分析.doc

水利工程論文-南水北調(diào)中線淇河倒虹工程過(guò)水變形仿真分析摘要：用二維線性有限元對(duì)南水北調(diào)中線工程淇河倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，使用國(guó)際知名軟件ANSYS建立了計(jì)算模型，模擬了倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)在兩種工況作用下的變形情況，最大水平位移為2.13cm，,最大垂直位移為13.93cm，最大不均勻垂直位移為5.5cm。為淇河倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考資料。關(guān)鍵詞：南水北調(diào)線性有限元ANSYS倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)1.引言南水北調(diào)中線工程是我國(guó)解決華北水資源緊缺的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略措施，是一項(xiàng)世界上空前浩大的跨流域的特大型的調(diào)水工程。總干渠以丹江口水庫(kù)陶岔渠首至北京團(tuán)城湖全長(zhǎng)1272km。南水北調(diào)中線干線河南省段為700多km，交叉建筑物甚多，其中河渠倒虹吸是河渠交叉建筑物中數(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(zhǎng)達(dá)16000多m。由于倒虹吸設(shè)計(jì)流量大(630800項(xiàng)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)的混凝土箱型結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)為15，管身混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C30，彈性模量為1=3104MPa，泊松比1=0.167，容重為25kN/m3。淇河地基為粘土巖，彈性模量2=30MPa，泊松比2=0.3，浮容重為10kN/m3，飽和容重為20kN/m3，土的內(nèi)摩擦角為25(水下亦為25)。倒虹吸管身修建時(shí)采用先開(kāi)挖，修建完成后回填土，管頂填土高2.6m，開(kāi)挖邊坡距管道外邊線為5m，邊坡為1:2。2.計(jì)算模型考慮到倒虹吸結(jié)構(gòu)本身對(duì)稱，地基均一，所受荷載也對(duì)稱，因此計(jì)算時(shí)，取一聯(lián)對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，在進(jìn)行二維線性有限元計(jì)算時(shí)，取順?biāo)鞣较驗(yàn)?m厚的箱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。箱形結(jié)構(gòu)頂板和柱子厚度為0.9m，底板厚度為1m。為考慮地基對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，地基所取范圍右邊以對(duì)稱軸為界，左邊橫向取54m(約為箱型結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的2.5倍)，深度取21m(約為箱型結(jié)構(gòu)高的2.7倍)。對(duì)所取計(jì)算范圍內(nèi)的地基，其右側(cè)為對(duì)稱軸，只有垂直位移而無(wú)側(cè)向位移，故采用水平鏈桿約束；其左側(cè)視為無(wú)垂直位移和水平位移，采用鉸結(jié)約束，其底部亦采用鉸結(jié)約束。使用國(guó)際知名有限元軟件ANSYS2建立計(jì)算模型，坐標(biāo)原點(diǎn)位于箱形結(jié)構(gòu)的左下角，軸正向指向右，Y軸正向指向上。地基表面部分，除倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)外，其余回填土部分對(duì)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)倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)的幾何特性，倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)和地基采用四邊形等參單元，為盡可能減少計(jì)算工作量，網(wǎng)格劃分時(shí)，倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)本身布置較密，而在地基部分則布置較稀疏，總共1948個(gè)單元，2187個(gè)結(jié)點(diǎn)。3.計(jì)算工況與荷載分析淇河在100年一遇洪水時(shí)，管道不通水，此時(shí)河道水深為14.22m。當(dāng)管道過(guò)水時(shí)，倒虹吸進(jìn)口水面至倒虹吸頂板底面的水深為13.32m。因此淇河倒虹吸設(shè)計(jì)本文考慮兩種運(yùn)行狀態(tài)，工況：河道有水，倒虹管內(nèi)無(wú)水；工況：河道無(wú)水，倒虹管內(nèi)全有水；工況：河道無(wú)水，倒虹管內(nèi)左孔有水，其余兩孔無(wú)水。工況：河道無(wú)水，倒虹吸管內(nèi)中孔有水，其余兩孔無(wú)水。工況：河道無(wú)水，倒虹管內(nèi)右孔有水，其余兩孔無(wú)水。12工況荷載分析：1）倒虹頂部垂直土壓力和水壓力：倒虹結(jié)構(gòu)頂部有2.6m厚的填土，填土容重按飽和容重20kN/m3計(jì)，河槽水深14.22m，垂直荷載總計(jì)為194.2kN/m3。2）側(cè)向土壓力：左側(cè)回填土的側(cè)向土壓力按主動(dòng)土壓力公式計(jì)算。由于回填土在水下，故取浮容重計(jì)算。左側(cè)水壓力為梯形分布。右側(cè)由于在水下，縫中無(wú)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(jì)算。工況荷載分析：1）倒虹頂部垂直土壓力按飽和容重20kN/m3計(jì)，垂直荷載總計(jì)為52.0kN/m3。2）側(cè)向土壓力：主動(dòng)土壓力公式計(jì)算，取飽和容重，摩擦角為25。3）孔內(nèi)水壓力：按靜力壓力計(jì)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(jì)算。工況、荷載分析：除管道內(nèi)的靜水壓力分別計(jì)為左、中、右外，其他荷載與工況相同。在計(jì)算內(nèi)水壓力時(shí)考慮了加掖部分的開(kāi)關(guān)和尺寸，倒虹箱型結(jié)構(gòu)左側(cè)回填的作用考慮為邊荷載，按回填土柱重量進(jìn)行計(jì)算。4.計(jì)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結(jié)構(gòu)的變形如圖2、3、4、5、6所示。箱型結(jié)構(gòu)四個(gè)角點(diǎn)的水平位移和垂直位移見(jiàn)表1。計(jì)算可得倒虹吸箱型結(jié)構(gòu)最大的水平位移為2.13cm，最大的垂直位移為13.93營(yíng)農(nóng)場(chǎng)cm,最大不垂直位移為5.5cm