高地震区高跨渡槽设计及结构稳定计算分析

杨 涛，骆 震，佟 童

(新疆兵团勘测设计院集团股份有限公司，云南 昆明 650500)

0 前言

渡槽作为一种重要的水工建筑物，在灌溉、输水、调水等优化水资源配置工程中发挥着重要的作用[1]。目前国内外已进行了较多研究，主要集中在结构选型、优化设计、结构抗震等几个方面[2]。在云南山区，往往地震烈度高，沟箐窄深，输水工程跨越沟箐经常会遇到高跨渡槽建筑物。尤其在灌区水利工程中，类似渡槽建筑物往往成了骨干工程中关键的卡脖子节点工程。因其建设投资占骨干输水工程建设投资的比重较大，合理的结构型式不仅是工程安全运行的保障，更是经济合理的基础。本文以宾川大型灌区中小庙箐渡槽为例，按照桥梁设计理论进行方案设计及结构稳定有限元分析，从而得到合理安全的渡槽结构设计，以期为高地震区高跨渡槽设计提供参考。

1 工程地质

1.1 地形地质条件

小庙箐渡槽位于大理州宾川县宾川灌区大银甸水库输水渠上，是输水渠上最大的一座节点工程。渡槽设计过水流量6.5m3/s，渡槽槽身总跨度105m，最大高度36m。

渡槽横跨小庙箐沟，冲沟宽110～120m，两岸地形呈窄深“V”形，山坡陡峭，呈基本对称状，不良物理地质象不发育。谷底分布第四系坡洪积层卵砾石、砾质土；厚度小于3m；两岸坡表分布有第四系残坡积层含砾粉质粘土、粉土质砾，厚度1～2m。下伏三叠系上统白土田组石英砂岩与泥质粉砂岩互层，强风化层厚9～11m，允许承载力500～800kPa，岩层产状55°NW∠24°。地质构造为单斜构造，岩层发育有Ⅳ、Ⅴ级结构面。地下水主要为风化裂隙水，沟底地下水位0.3m[3]。

1.2 区域地质构造

工程位于大理洱海东部，宾川盆地及其邻近一带，受构造影响与控制，主要山脉、河流及盆地均呈南北向展布，地势由南向北逐渐降低。按地貌成因，结合该区塑造地貌的构造应力、地表作用力、岩性等特征，工程区可分为构造侵蚀剥蚀地貌、断陷盆地地貌、低山丘陵地貌及溶蚀地貌4种类型。

工程处于中甸-大理地震带，地震主要受红河深大断裂与程海-宾川断裂发震构造的影响与控制。根据GB 18306—2015《1/400万中国地震动参数区划图》[4]，工程区地震动峰值加速度为0.20g，地震动加速度反应谱特征周期为0.45s，对应地震基本烈度Ⅷ度。

2 渡槽设计

小庙箐渡槽设计为简支梁式渡槽，全长149.79m，由进口引渠段、槽身段和出口连接渠段组成。

其中进口引渠段全长26.12m，渠道横断面形式为矩形，设计底宽2.3m，渠深1.85m，设计纵坡1/500，转弯半径为12m，结构型式采用C20素混凝土，底板及边墙厚度均为30cm，顶面采用15cm厚预制钢筋混凝土盖板。

槽身段总长105m，共计7跨，每跨15m，设计纵坡1/500，渡槽槽身为现浇C30、W6二级配钢筋砼矩形断面结构，过水断面净宽×高为2.3m×1.8m，外轮廓尺寸宽×高为3.3m×2.6m。为增加结构的整体稳定性，在槽身顶部间隔2.5m设置一拉杆，槽身顶部设置盖板。梁式渡槽的支承墩、架有重力式槽墩、钢筋混凝土槽架、混合式墩架和桩柱式槽架等形式[5]，根据地形情况，小庙箐渡槽槽身距底部河床高度13～36m，设计槽身支承墩采用重力墩形式，其中1#和6#槽墩高度小于15m，采用实心重力式槽墩，顺槽向、横槽向坡比为40∶1；2#—5#槽墩高度>15m，采用空心重力式槽墩，顺槽向、横槽向外坡坡比为40∶1，顺槽向、横槽向内坡坡比为80∶1；槽墩基础均采用直径1m的灌注桩群，桩顶浇筑盖梁与槽墩衔接，槽墩、承台、灌注桩均为现浇C35、W6二级配钢筋砼。每跨渡槽设伸缩缝1道，缝宽4cm，采用P651型止水橡皮止水，闭孔泡沫板填料填缝，临水面设5cm双组份聚硫密封胶闭口。考虑项目区处于高地震区，减震支座是通过自身剪切变形延长结构周期、增加结构阻尼，从而消耗地震能量，有效减小结构地震反应的装置，被广泛运用于桥梁结构中[6]，因此设计参考JGT/T 1302—01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[7]支座采用普通盆式橡胶支座。

出口连接渠段全长18.67m，渠道横断面形式为矩形，设计底宽2.3m，渠深1.85m，设计纵坡1/500，转弯半径12m，结构型式采用C20素混凝土，底板及边墙厚度均为30cm，顶面采用15cm厚预制钢筋混凝土盖板。

渡槽结构纵横剖面图如图1所示。

图1 渡槽纵横剖面图

3 结构稳定计算分析

3.1 模型建立

Midas Civil是一款基于计算机处理和分析技术的空间有限元分析软件，主要应用于桥梁结构、地下结构分析与设计，设计采用基于MIDAS CIVIL软件的三维有限元，对渡槽参照桥梁结构受力进行分析。根据许新勇等[8]将有限元软件ABAQUS与MAT-LAB程序结合，并通过引入混凝土塑性损伤本构模型进行建模计算。将渡槽设计的结构特征参数分槽身、槽墩和桩基结构建立三维有限元模型。槽身简支梁结构取中间跨进行建模计算，槽身有限元模型共有节点55173个，单元32986个，网格尺寸为240mm。槽墩采用5484个四面体单元，网格尺寸为800mm。

根据地质资料、拟建渡槽结构方案，并结合类似项目工程经验，确定相应的岩土参数及材料参数，模型各结构设计材料力学参数取值见表1。

表1 力学参数取值

3.2 主要计算结果

3.2.1槽身

经计算分析，槽身整体竖向位移0.9155mm，小于容许最大挠度，说明槽身具有足够的刚度。最大主拉应力出现在跨中侧板底部肋板旁，为1.492MPa，略大于混凝土抗拉强度设计值。需要配置一定的钢筋减少裂缝宽度，提高局部抗拉强度。最大正应力及最大竖向位移均出现在槽身跨中区域，如图2—3所示。

图2 槽身竖向位移云图

图3 槽身竖向正应力云图

槽身横向最大拉应力出现在底板中心底部，为0.425MPa。如图4所示。

图4 槽身正应力云图[9]

槽身内力及配筋计算结果如下：

工况1：空槽(自重)。在渡槽未充水时，仅有自重作用，渡槽纵向跨中最大弯矩3210.2kN·m，两端最大剪力906.83kN。横向侧墙端部最大弯矩-16.5kN·m，底板端部弯矩-14.0kN·m，跨中弯矩13.6kN·m；侧墙剪力9.0kN，底板剪力43.6kN。

工况2：自重+设计水位。渡槽过设计水深1.70m时，纵向跨中最大弯矩3881.2kN·m，两端最大剪力1096.4kN。横向侧墙端部最大弯矩-20.4kN·m，底板端部弯矩-20.1kN·m，跨中弯矩18.3kN·m；侧墙剪力16.2kN，底板剪力59.0kN。

工况3：设计水位+地震。渡槽过设计水深1.70m时，遇8度地震，纵向跨中最大弯矩3865.5kN·m，两端最大剪力1091.9kN。横向侧墙端部最大弯矩-39.3kN·m，底板端部弯矩-38.9kN·m，跨中弯矩23.6kN·m；侧墙剪力31.0kN，底板剪力82.9kN。

按最不利工况计算槽身纵向受弯钢筋As=5946.4mm2。槽身横向底板跨中截面受弯钢筋As=187.97mm2，支座截面受弯钢筋As=310.32mm2均小于ρmin，按最小配筋率配筋As=2010mm2；侧墙横向跨中受弯钢筋As=417.22mm2<ρmin，按最小配筋率配筋As=1515mm2，抗剪钢筋均按构造配置。

3.2.2槽墩

模型以高度最大的3#槽墩进行分析，选择偶然组合中的地震工况(最不利)施工加荷载，全局施加重力加速度，对于槽墩整体分析结果：对荷载公共初步分析，槽墩受到附加弯矩和横向荷载，应力主要为竖向拉压应力，位移主要为平行与横向荷载的方向，根据位移云图可知，最大位移发生在槽墩顶部，且位移延槽墩向下递减，在地震工况下将槽墩简化为悬臂梁结构进行内力计算，横槽向最大位移6.34mm，与槽墩计算长度相比横向位移值较小，重力式槽墩刚度较高；根据槽墩应力云图可知，槽墩呈现受力侧拉，另一侧受压的状态，其中受拉区集中在槽墩下部与承台相接的外表面，最大值为0.284MPa，受压区最大值为1.713MPa，均未超过混凝土轴线抗拉抗压设计强度，如图5—6所示。

图5 槽墩竖向正应力云图

图6 槽墩Y向位移云图

根据竖向应力云图知，空心墩外侧出现最大拉应力，应力值较小为0.159MPa。实心墩部分的应力集中主要在内部，外部主要受压应力，如图7—8所示，可直接根据构造配筋即可。

图7 实心墩截面竖向应力云图

图8 空心墩截面竖向应力云图

设计采用Midas Civil和CDN根据桥梁设计规范对3#槽墩进行承载能力极限状态验算，正常使用阶段裂缝宽度验算，并提取墩身0m(实心截面顶部)、3m(空心变截面顶部)、16m(空心变截面中部)、29m(空心变截面顶部)典型截面计算，其最不利工况下计算结果见表2，槽墩各部位配筋见表3。

表2 槽墩最不利工况内力计算结果

表3 槽墩配筋表

设计对各截面分别进行了使用阶段正截面轴心抗压承载能力验算、偏心受压验算、水平最大弯矩最大及最小时的偏心受压验算、竖向最大及最小弯矩时的偏心受压验算等，均能满足规范要求。

3.2.3桩基

桩基包括承台和混凝土灌注桩，是承受槽身、槽墩荷载的主要结构。3#墩承台设计为长×宽×高为5m×8m×2m的混凝土结构，底部为2排、6根D1000的混凝土灌注桩。根据计算，在槽墩与承台接触面存在一定的应力集中，最大拉应力为0.89MPa，在配筋时需加强分析。桩基最大拉应力-7.93MPa，最大压应力1.56MPa，均出现在桩顶，在配筋时需加强分析。经计算，承台与桩均按照结构配筋可满足要求。

承台及桩基础有限元分析竖向应力云图如图9—10所示。

图9 承台竖向应力云图

图10 桩基竖向应力云图

4 结语

本文以高地震区高跨度的小庙箐渡槽为例，进行了结构设计，并通过三维有限元分析对结构进行相应的设计验证，主要结论如下：

(1)高地震区高跨度渡槽的设计关键为槽墩结构和基础结构，在三维有限元分析计算时采用桥梁设计中桥墩计算理论可解决模型边界条件问题，选择安全可靠的结构设计。

(2)对于高地震区大高度重力墩，实心墩的应力集中区主要在墩内侧，而空心墩的应力集中主要发生在墩外侧。槽墩其最大位移出现在墩顶部位，但远小于重力墩最大刚度；竖向轴力沿高度从高往下逐步减小，其墩体的配筋亦可逐步减小。

(3)对空心重力槽墩+桩基础的组合结构，其中间承台是上下结合传力的主要结构，在最不利工况地震作用下表面和底面均会有应力集中现象，设计时需进行加强控制。