水利工程論文-南水北調中線淇河倒虹工程過水變形仿真分析.doc

水利工程論文-南水北調中線淇河倒虹工程過水變形仿真分析摘要：用二維線性有限元對南水北調中線工程淇河倒虹吸箱型結構進行了仿真分析，使用國際知名軟件ANSYS建立了計算模型，模擬了倒虹吸箱型結構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構設計提供了有價值的參考資料。關鍵詞：南水北調線性有限元ANSYS倒虹吸箱型結構1.引言南水北調中線工程是我國解決華北水資源緊缺的一項重大戰(zhàn)略措施，是一項世界上空前浩大的跨流域的特大型的調水工程?？偢汕缘そ谒畮焯詹砬字帘本﹫F城湖全長1272km。南水北調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，總長達16000多m。由于倒虹吸設計流量大(630800項式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)的混凝土箱型結構，分成兩聯(lián)，共6孔，每孔斷面積為66，如圖1所示。順水流方向每節(jié)管長為15，管身混凝土設計標號為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，土的內摩擦角為25(水下亦為25)。倒虹吸管身修建時采用先開挖，修建完成后回填土，管頂填土高2.6m，開挖邊坡距管道外邊線為5m，邊坡為1:2。2.計算模型考慮到倒虹吸結構本身對稱，地基均一，所受荷載也對稱，因此計算時，取一聯(lián)對稱結構進行計算，在進行二維線性有限元計算時，取順水流方向為1m厚的箱形結構進行計算。箱形結構頂板和柱子厚度為0.9m，底板厚度為1m。為考慮地基對結構的影響，地基所取范圍右邊以對稱軸為界，左邊橫向取54m(約為箱型結構長度的2.5倍)，深度取21m(約為箱型結構高的2.7倍)。對所取計算范圍內的地基，其右側為對稱軸，只有垂直位移而無側向位移，故采用水平鏈桿約束；其左側視為無垂直位移和水平位移，采用鉸結約束，其底部亦采用鉸結約束。使用國際知名有限元軟件ANSYS2建立計算模型，坐標原點位于箱形結構的左下角，軸正向指向右，Y軸正向指向上。地基表面部分，除倒虹吸箱型結構外，其余回填土部分對地基的作用按回填土高度轉化為線性分布荷載考慮。根據倒虹吸箱型結構的幾何特性，倒虹吸箱型結構和地基采用四邊形等參單元，為盡可能減少計算工作量，網格劃分時，倒虹吸箱型結構本身布置較密，而在地基部分則布置較稀疏，總共1948個單元，2187個結點。3.計算工況與荷載分析淇河在100年一遇洪水時，管道不通水，此時河道水深為14.22m。當管道過水時，倒虹吸進口水面至倒虹吸頂板底面的水深為13.32m。因此淇河倒虹吸設計本文考慮兩種運行狀態(tài)，工況：河道有水，倒虹管內無水；工況：河道無水，倒虹管內全有水；工況：河道無水，倒虹管內左孔有水，其余兩孔無水。工況：河道無水，倒虹吸管內中孔有水，其余兩孔無水。工況：河道無水，倒虹管內右孔有水，其余兩孔無水。12工況荷載分析：1）倒虹頂部垂直土壓力和水壓力：倒虹結構頂部有2.6m厚的填土，填土容重按飽和容重20kN/m3計，河槽水深14.22m，垂直荷載總計為194.2kN/m3。2）側向土壓力：左側回填土的側向土壓力按主動土壓力公式計算。由于回填土在水下，故取浮容重計算。左側水壓力為梯形分布。右側由于在水下，縫中無填料，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，垂直荷載總計為52.0kN/m3。2）側向土壓力：主動土壓力公式計算，取飽和容重，摩擦角為25。3）孔內水壓力：按靜力壓力計算，以作用在孔內壁的靜水壓力為準。4）地基反力按直線分布或文克爾假定計算。工況、荷載分析：除管道內的靜水壓力分別計為左、中、右外，其他荷載與工況相同。在計算內水壓力時考慮了加掖部分的開關和尺寸，倒虹箱型結構左側回填的作用考慮為邊荷載，按回填土柱重量進行計算。4.計算結果五種運行工況作用下的南水北調中線淇河倒虹吸箱型結構的變形如圖2、3、4、5、6所示。箱型結構四個角點的水平位移和垂直位移見表1。計算可得倒虹吸箱型結構最大的水平位移為2.13cm，最大的垂直位移為13.93營農場cm,最大不垂直位移為5.5cm