复杂地质条件下大型箱型倒虹吸动力响应研究
模 型 。基 于 时 程 分 析 方 法 ，对 不 同 土 层 分 布 下 结 构 的动 应 力 及 动 位 移 进 行 分 析 。计 算 得 出各 地 质 条 件 下 的动 力 响应
分 布 规 律 ，并 表 明 通 过 换 填 土 可 以 改 善 结 构 动 力性 能 。 关 键 词 ：箱 型 倒 虹 吸 ；动 力 响 应 ；地 质条 件 ；有 限元
为 ０１ 。 ．０ ｇ
南 水 北 调 工 程 是 调 节 我 国 水 源 分 配 ，缓 解 北 方 水 资 源 匮 乏 的 重 大 工 程 ，其 中 涉 及 了 大 量 穿 越 抗 震
设 防 地 区 的 倒 虹 吸 结 构 。 其 中 ， 中 线 工 程 总 干 渠 穿
南 沙 河 倒 虹 吸 因 过 水 流 量 大 ． 所 处 地 区 土 层 特 性 复 杂 ， 且 为 ７度 抗 震 设 防 区 ，需 要 进 行 复 杂 地 质 条 件 下 的 地 震 反 应 分 析 ， 以 评 价 其 抗 震 性 能 。 本 文 结 合 该 倒 虹 吸 结 构 的 特 性 ，建 立 了 考 虑 流 固 耦 合 ［２ 空 ｌ －的
Ｗ ａ ｇ Ｈｕ ， ｉＸｉｏ ｅ Ｚ ａ ｈ ｎ ｏ ｎ ｉ Ｌ ａ ｋ ， ｈ ｏ Ｓ ｕ ｂ
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间 有 限 元 模 型 ，采 用 纽 马 克 （ｅ Ｎ ｗｍａｋ） 时 程 分 析 ｒ
方 法 ［ 究 了土 质 均 匀 性 、换 填 土 层 等 对 结 构 动 应 力 ３ １ 研 和动 位移 【 的影 响。
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第 ３ 卷第 ７ ７ 期 ２ １ 年７ ０ １ 月
水 力 发 电
复杂地质条件下大型箱型 倒虹吸动力响应研究
王 慧 ，李 晓克 ，赵 顺 波
（ 北 水 利 水 电 学 院 ，河 南 郑 州 ４ ０ １ ） 华 ５ ０ １
摘 要 ：针 对 大 型 倒 虹 吸在 复 杂 地 质 条 件 下 的 动 响 应 问题 ，建 立 了 考 虑 流 固 耦 合 作 用 的 倒 虹 吸 结 构 动 力 分 析 有 限元
中图 分 类 号 ： Ｖ ７ ．Ｔ ６２ ５
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ： ５ ９ ９ ４ （０ １ ０ — ０ ９ ０ ０ ５ — ３ ２ ２ １ ）７ ０ １— ４
Ｏ 引
言
６ ５ ｍ。倒 虹 吸 管 横 断 面 见 图 １ （ 中 标 出 的 断 面 为 ． 图 关 键 截 面 ） 管 身 混 凝 土 为 Ｃ ０， 垫 层 混 凝 土 为 。 ４ Ｃ１ ０。 该 地 区 按 ７度 抗 震 设 防 ， 地 震 动 峰 值 加 速 度
ｒ ｓ ｎ ｅ ｕ ｄ ｒ ｄ ｆ ｒ ｎ ｅ ｌ ｇｃ ｌ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ａ ｅ ｏ ｔｉ ｅ ．Ｔ ｅ ｃ ｌ ｕ ａｉ ｎ Ｓ Ｏ ｈ ｔｔ ｅ ｓ ｕ ｔ ｒ ｌｐ ｒｏｍａ ｃ ａ ｅ ｅ ￣ ｓ ｎ ｅ ｉ ｅ ｅ ｔ ｇ ｏｏ ｉ ａ ｏ ｄｔ ｎ ｒ ｂ ａ ｎ ｄ ｈ ａｃ ｌｔｏ Ｈ ＷＳ ｔ ａ ｈ ｔ ｃｕ ａ ｅ ｒ ｎ ｅ ｃ ｎ ｂ ｆ ｉ ｒ ｆ
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倒虹吸工程设计分析与探讨
倒虹吸工程设计分析与探讨近年来，倒虹吸工程因其施工方便、节约劳动力等优点而被广泛应用于山区和黄土高原地区的输水工程中。
倒虹吸是渠系建筑物中的一种交叉建筑物，当渠道与河流、谷地、道路、山沟以及其它渠道相交时，为连接渠道而设置的压力管道。
倒虹吸工程管道顶部在冰冻层以下，防冻性能好，工程不易损坏，基于此，本文主要对倒虹吸工程设计进行分析探讨。
标签：倒虹吸；工程设计1、前言我国农田水利建设中，修建了大量的倒虹吸管，对建设旱涝保收、高产稳定农田及供应城市工业和生活用水都起到关键性的作用。
进行工程设计时，从整个设计流程来说，需要保证计算的准确性和合理性，才可以使得工程设计产品达到最理想的效果。
2、工程概况西北某倒虹吸工程设计管道长度达2500m，最大工作水头达300m，管径达0.8m，属于大型倒虹吸工程。
由于原工程已不能满足安装使用要求，因此需重建倒虹吸。
工程建成后，可增加灌溉面积达453.3hm2，不仅能有效改善农业缺水的局面，还可充分发挥灌区提高农业产量的作用。
3、倒虹吸工程设计3.1工程布置分析西北某倒虹吸工程布置时应考虑以下要点：①倒虹吸管径大，管线长达2500m，占地面积大。
为减少占用耕地，降低征地费用，选在原管线上重建。
②倒虹吸管线总体布置应根据地形、地势在管线轴向应为一直线，以减少管线长度，在竖向应为折线，局部做填挖处理。
③倒虹吸管道在谷底要跨越现代河床和公路，现阶段河床水流较小，宽约2m，河流纵向坡降为2%，管道布置应考虑河流的洪峰流量和公路车辆情况，原设计中采用支墩的跨越方式，历经40年未发生过特殊情况，应继续采用此跨越形式，并设计支墩基础防冲刷。
通过分析当地地形，了解原工程的使用及管理情况，综合考察各种因素，重建工程管道仍布置在原管线上，经过村庄，横跨沟底公路，自沟右岸向左岸供水，倒虹吸跨越段呈不对称V型，两岸地形坡度25°～35°，局部较陡，可达45°。
3.2管材选择西北某倒虹吸工程具有计算水头高、管线长的特点，其最大工作压力可达3.0MPa，属国内罕见。
倒虹吸非线性有限元分析
倒虹吸非线性有限元分析
牛津
【期刊名称】《云南水力发电》
【年(卷),期】2024(40)5
【摘要】结合南水北调中线工程河南段某大型倒虹吸结构,运用有限元软件ANSYS,采用整体式配筋模型,对结构管身几种不同特殊工况进行非线性有限元受力情况进行分析。
分析结果表明:当压实回填后结构内无水和停水检修时对结构最不利,最不利位置发生在结构跨中内侧,在设计和施工中应采取有效措施。
【总页数】4页(P67-69)
【作者】牛津
【作者单位】甘肃省水务投资有限责任公司
【正文语种】中文
【中图分类】TV222.2;TV672.5
【相关文献】
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深沟大跨度倒虹吸压力管道设计
深沟大跨度倒虹吸压力管道设计发布时间：2021-12-15T05:22:24.761Z 来源：《建筑实践》2021年第8月24期作者：禄兴[导读] 小河塘1#倒虹吸横跨马树河河谷，两岸地形陡峭，山高谷深，地质情况复杂。
禄兴昭通市水利水电勘测设计研究院摘要：小河塘1#倒虹吸横跨马树河河谷，两岸地形陡峭，山高谷深，地质情况复杂。
在设计中就倒虹吸稳定、水头损失、应力分析、结构及基础处理等进行了深入研究。
关键词：小海子水库；灌区工程；倒虹吸；管道设计1、前言小海子水库位于云南省昭通市南部的巧家县马树镇的马树河上游，水库总库容3156.9万m3，工程区至巧家县城142km。
是一座解决农村人畜饮水和农业灌溉供水的中型水利工程，可解决巧家县马树、老店、包谷垴和崇溪四个乡镇的马树河、牛栏江干热河谷3.26万人和2.28万头牲畜的饮水困难，同时工程设计灌溉面积5.6万亩。
工程区属构造侵蚀、剥蚀中山地貌类型，灌区山高谷深，倒虹吸是该引水工程中数量较多的一种建筑物。
小河塘1#倒虹吸位于渠系工程前部，其最大工作水头为117.748m，设计引水流量3.0m3/s，是灌区建筑物中难度较大的工程。
该工程修建成败是关系到灌区灌溉得到保证与否、以及整个工程投资效益具体实现的关键。
2、倒虹吸的总体布置小河塘1#倒虹吸位于灌区总干渠里程6+505～7+003.966段，横跨以礼河一级支流马树河，两岸地形陡峭。
轴线选择原则:在地形、地质条件允许的情况下，倒虹吸的轴线尽可能与主河床正交，以减少建筑物的长度，降低投资。
为此初拟了两条轴线及长度，通过水力演算得到各种长度对应的上、下游水位值，并计算各种方案的工程量，通过方案比选和论证，选择出以下布置方案，其工程投资较省。
2．1、地形、地质条件倒虹吸河谷呈“V”型，左右岸基本对称，坡面起伏不大。
进出口自然坡度10°～45°,岸坡稳定。
坡面零星分布第四系粉质粘土夹碎石，较松散～稍密实，钻孔揭露厚0.5～4m。
南水北调工程箱形倒虹吸非线性有限元分析
南水北调工程箱形倒虹吸非线性有限元分析箱形倒虹吸是一种河道过渡建筑物，它通过倒置的U形箱体结构，将一条运河引入另一条运河，既实现了两个水系之间的衔接，又调节了水流的过渡。
在南水北调工程中，箱形倒虹吸主要用于连接京杭运河与运河之间的河道，将长江水引入黄河，从而实现北方地区的水资源供给。
在设计和建造箱形倒虹吸时，非线性有限元分析是一种常用的方法。
非线性有限元分析是将物体离散为有限个小的元素，然后根据材料力学模型和边界条件，求解各个元素的位移、应变和应力等物理量的方法。
箱形倒虹吸非线性有限元分析的目的是对结构进行力学计算和受力分析，以确定其在使用过程中的安全性，进而优化设计和增加结构的稳定性。
该分析方法可以计算出结构的应变、应力、变形以及支座反力等参数，为工程的设计、施工和使用提供可靠的依据。
箱形倒虹吸的分析过程包括以下几个步骤：首先确定结构的几何形状和材料性质，然后建立结构的有限元模型，划分网格并分配材料属性。
接下来，根据实际情况设置边界条件，如承受水压力的部分设置为固定边界；最后进行非线性有限元分析，求解结构在受力情况下的位移、应变和应力等参数。
箱形倒虹吸结构在运行过程中受到的水压和土压等力作用比较复杂，因此需要进行非线性有限元分析。
在分析过程中，需要考虑结构和土壤之间的接触，土壤的非线性性质以及结构的非线性材料性质等因素。
此外，还需要考虑各种荷载组合和工况情况，如不同水位、风力、温度等对结构的影响。
通过箱形倒虹吸非线性有限元分析，可以得到结构的受力情况和变形情况，对结构进行优化设计和改进提供依据。
同时，还可以根据计算结果进行结构安全评估，保证结构在运行过程中的稳定性和可靠性。
综上所述，箱形倒虹吸非线性有限元分析是南水北调工程设计和建造过程中不可或缺的技术手段，它能够对结构进行全面准确的受力分析和计算，为工程的成功实施提供有力支持。
倒虹吸设计探析
2）穿 水 库 库 底 段 。 倒 虹 吸 穿 水 库 库 底 段 长 517 m，现状地面高程最高为 44.00 m，极端最低点 达 34.00 m。远低于设计库底高程 48.00 m。为不
高程 46.8 m，闸墩顶高程 63.0 m。闸室底板厚 1.5 覆盖层均为砂或砂砾石，计算公式为：
m，边墩厚 1.0 m，中墩厚 1.5 m，缝墩厚 0.9 m。 2.3 管身段
倒虹吸沿途分别穿越水库副坝、水库库底、右 堤、主河槽及左堤。倒虹吸管身段根据地形不同 采用不同的埋置深度，共分 5 段。
规划设计
［文章编号］1002—0624（2018）08—0006—03
东北水利水电
2018 年第 8 期
倒虹吸设计探析
王勇
（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006）
［摘 要］南水北调中线工程是解决我国北方地区水资源严重短缺，实施我国水资源优化配置的特大型基础设
施项目，全长 1 267 km。其间总干渠与其他许多工程存在交叉情况，倒虹吸是南水北调中线工程采用的主要建
4）穿主河槽段。穿越永定河主河槽时需分别
的潜孔闸，进水闸采用潜孔平板闸门，固定卷扬启 按设计洪水及校核洪水标准考虑冲刷要求，设计
闭机。
防护工程。
倒虹吸进水闸闸室段长 15 m。单孔净宽 3.4
①河道冲刷深度的确定：冲刷深度按《铁路桥
m，净高 3.8 m，共 4 孔，闸室总宽 20.42 m。闸室底 渡勘测设计规范》有关公式进行计算。由于河床
箱形倒虹吸结构分析
根 据 倒 虹 吸结 构 的 自身特 点 的特 点 和施 工 特 点 ，对计 算分 析 的区域进 行单 元格划 分 ，何个单 元格 划分 长度 为 ０．２ ＩＴＩ，为了 防止倒虹 吸结 构 ｌ 程 ｝ｆＪ现应 力集 中现 象 ，对于 关键部 位 和突变 的 部位 进行 网格 划 分加密 处理 ，比如腹 板拐 角处 、底 板折 角处 。加密 后 的 网格 划 分 与倒 虹 吸实际 的情况 更接 近 、 体 的 划 分情况 如 图 ２所示 。
南 水北 调 主干线 渠道 成 ４５。交叉 。由于该 倒 虹 吸结 ２７．１ ｋＮ／ｍ ，塑 性指 数 ｌ９，饱 和 快 剪 内摩擦 角 ＝２１．５。，
构 无 主梁 、次梁 ，类 似 的防裂 经 验 很少 ，在不 同工 况 黏聚力 ｃ＝１８．０ ｋＰａ（表 １）。工程 区地震峰值 加速度 为
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第Hale Waihona Puke １期 牛 津 ．等 ：箱 形 倒 虹 吸 结 构 分 析
销 ５４卷
选择倒 虹 吸管 身段做 为模 拟计 算 的对象进 行应 力 场 的建模 和 分析 。
表 １ 君李 庄 沟 倒 虹 吸 地 基 土 物理 力学 指 标
表 ２ 君李 庄 沟 倒 虹 吸 混 凝 土 力 学 指 标
箱形 倒虹吸结构分析
牛 津 ，季 日 臣 ，牛 荷 叶 ｚ
（１．兰 州交通 大 学 ，甘 肃 兰州 ７３００７０； ２．甘 肃省 水利 水 电勘 察设 计研 究院 ，甘 肃 兰 州 ７３００７０）
摘要 ：倒虹吸管道是输水排 水及 引水 灌溉 的一种非 常重要和 常见 的立体交叉建筑物 ，是 渠道 与河流、谷地 、道路 、铁路 、
１ 前 言
庄南 约 １ ｋｍ处 ，沟道与总干渠交 叉断面处 总干渠桩号
倒虹吸工程水力学模型试验
Ｍ ｏ ｌＴｅ ｔｏ ｇ ｎｅ ｒ ｎ ｄｒ ｕ ｉ ｓｏ ｎｖ ｒ ｅ ｐ ｎ ｄｅ ｓ ｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｉ ｇ Ｈｙ ａ ｌｃ ｆＩ ｅ ｔ ｄ Ｓｉ ｈｏ
Ｌ ｕ ｎ ＨＡＮ Ｍｉｇ ｘ ａ ， Ｉ ａ， Ｊ ｎ － ｕ ｎ ＭＵ ｈ ｎ ｗｅ， ＨＡＮ Ｙａ ｇ Ｚ Ｚ ｅ－ ｉ Ｚ Ｇ ｎ ， ＨＡＮ Ｇｅ ｇ Ｇ ｎ
ｃａｇ ｃｅｓｄｆ ｍ ３ｔ ５ｍ３ｓＴｈｒｆｒ ， ｒｅ ｏｅ ｓｒ ｈ ｐ ｒｔ ｎｏ ｈ ｒｊｃ， ｅｏ ｈ ｒｅｉ ｒａｅ ｏ １ Ｏ１ ／ ． ｅｅｏｅｉ ｏｄ ｒｔ ｎｕｅｔｅｏ ｅａｉ ｆ ｅｐｏｅｔｉｉ ｒｃｍｍｅ ｄｄｔ ｐｉ ｚ ｎ ｒ ｎ ｏ ｔ ｔｓ ｎ ｅ ｏｏ ｔ ｅ ｍｉ
摘要： 为研究大 型倒 虹吸水力特性 ， 通过新疆 北部某倒虹吸工 程 １：１ ６的水 工模型试 验 ， 对不 同运行工况 下倒虹 吸 过流能力 、 水流流态及压 力分 布等问题进行研究 。试验结果 表明 ， 水头损失 实测值与设计 计算值较 接近 ， 满足设计 要求 ； 在设计流量下 管道 最大压力位于倒虹吸管最低段末端 且小于设计值 ； 充水过程 中 ， 但 流量 由 １ ／ ３ｍ３ｓ增至 １ ５ ｒ３ ｓ时 ， ｎ／ 发现上游进水 口有 间歇性 立轴漩涡形成 。为 了保证 工程 的正 常运行 ， 建议对上 游沉沙池 与消力 池之 间渠 道进行优化 。 关键词 ： 虹吸 ； Ｃ 模 型试 验 ； 倒 Ｐ ￣Ｐ； 水力特性 中图分类号 ： Ｖ１ ４ Ｔ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章编 号 ：６ ２１ ８ （０ ２ Ｏ—０ ３０ ｌ ７ —６ ３２ １ ）４０ ７—３
（ ｏｌｇ ｆ Ｗａｅ ｏ ｓｒａ ｃ ｎ ｉｉ Ｅ ｇｎｅｉｇ， 巧 ｉｎ ｒｃｌ ｒｌ ｎｖｒｉ Ｕ ｕ ｉ ３ ０ ２Ｃ ｉａ Ｃ ｌ ｅ ｔｒＣ ｎｅｖ ｎｙａ ｄ Ｃｖｌ ｎ ｉｅｒｎ Ｘ ａ ｇＡｇ ｉ ｔ ａ ｉｅｓｔ ｒｍｑ ０ ５ ， ｈｎ ） ｅ ｏ ｕｕ Ｕ ｙ， ８
倒虹吸技术在水利工程中的运用分析
倒虹吸技术在水利工程中的运用分析发布时间：2022-02-15T07:18:58.572Z 来源：《防护工程》2021年28期作者：欧汝金[导读] 倒虹吸分为圆形与箱型两种方式，在物理原理作用下，确保水往高处走。
中国水利水电第十四工程局有限公司云南省昆明市 650041摘要：现阶段，我国的水利工程建设有了很大进展，在水利工程中，倒虹吸技术发挥着重要的作用。
对于倒虹吸技术而言，在道路河流中会发生交叉，在渠道穿越山谷中，则会利用立交水工建筑物。
在一定程度上讲，倒虹吸技术的利用，对水利工程应用具有一定影响。
在当前形势下，政府给予了倒虹吸技术一定的关注，有效规划倒虹吸技术应用方案，促进有施工作业的有序开展，为水利工程创造出良好的条件。
文章首先分析了倒虹吸施工技术要点，其次探讨了倒虹吸施工技术，以供参考。
关键词：倒虹吸技术；水利工程；运用引言对于水利工程建设，倒虹吸是极为关键的水利建筑物。
它是在渠道与道路、河流发生交叉或在渠道穿越山谷时经常采用的一种立交水工建筑物。
在一般情况下，倒虹吸是以竖井式设计为主，对泥沙具有清除作用。
另外，倒虹吸分为圆形与箱型两种方式，在物理原理作用下，确保水往高处走。
1倒虹吸施工技术要点1.1施工前的准备工作在具体的开工之前，需要对现场进行全面的勘察测量，掌握实际的施工数据如开挖位置、标高、开挖方向、深度等，并结合测量结果利用石灰对开挖位置进行标注，作为倒虹吸施工的基础线进行应用。
在此基础上，结合设计图纸，要对倒虹吸长度、宽度、基坑开挖线、轴线位置、管节管口位置等进行明确，并设置相应的控制桩和护桩等。
最后需要结合设计要求对测量放样结果进行复核校验，确保其标高、尺寸满足需求。
1.2进口段在进口段中，包含了渐变段、沉砂池和闸门等内容，启闭设施、连接段和进水口也是组成内容。
在进口段中渐变段也发挥着重要的作用，连接了渠道和倒虹吸管进口沉砂池间的过渡段，一般以扭曲面为主，具有较小的水头损失。
箱形倒虹吸结构的两种应力计算方法比较分析
箱形倒虹吸结构的两种应力计算方法比较分析宋奎;宫必宁;郑人逢【摘要】Combining a certain inverted siphon of the South-to-North Water Transfer Project, the elastic foundation beam method which is commonly used in engineering and the soil-structure interaction method are respectively adopted in ADINA for structural stress analysis of an inverted siphon. Its stress distribution under different conditions is obtained; and the differences of the results of two methods are summarized. The effects of soil-structure interaction on the behaviors of stresses and deformations of inverted siphon structure are selactively analyzed. Compared with the conventional elastic foundation beam calculation results, it is shown that, the soil-structure interaction method can reflect the true situation; and it is a factor can not be ignored when analyzing the stresses and deformations of inverted siphon structures.%结合南水北调中线某箱形倒虹吸结构,分别采用工程中常用的弹性地基梁法与土体一结构相互作用的方法,利用ADINA软件进行倒虹吸结构应力分析,得出不同工况下倒虹吸结构的应力分布规律,归纳了两种计算方法下结果的差异性并重点分析土体与结构相互作用对结构应力及变形的影响.与常规弹性地基梁方法的对比结果表明,把结构与土体作为整体研究,考虑二者相互作用的方法能够更准确地反映真实情况,是分析地下倒虹吸结构应力及变形的不可忽略的因素.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(033)002【总页数】4页(P49-52)【关键词】倒虹吸;弹性地基梁;相互作用;有限元法;ADINA【作者】宋奎;宫必宁;郑人逢【作者单位】河海大学水利水电学院,南京210098;河海大学水利水电学院,南京210098;河海大学土木工程学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TV68倒虹吸是一种典型的地下结构,结构与土体的相互作用无疑是进行应力分析和计算时的关键.目前关于箱形倒虹吸结构的常规计算方法很多,但归纳起来较为常用的有3大类,一是结构力学迭代法,二是弹性地基梁法(二维平面),三是有限元数值分析方法[1].结构力学迭代法一般假定地基反力为直线分布,计算方法明确、简单,对于中小型箱形倒虹吸,当地基较差时,这个假定接近实际情况,且偏于安全.但是没有考虑结构本身与地基的协调变形影响,对结构的简化较大,成果精度不够,在实际工程中应用较少.弹性地基梁法认为框架本身和地基都是弹性体,根据变形协调和静力平衡条件确定地基反力和结构本身的内力,计算精度较高,目前在大型工程中优先采用.但是弹性地基梁法未考虑土的不均匀性和地基土分层的特点[2].于是,对地下箱形倒虹吸结构与周围土体整体进行有限元分析,考虑地基的整体性与不均匀性,由力学平衡方程、几何方程、物理条件,推导出位移与应力间的关系,使计算模型能更准确地反映实际情况.本文将后两种方法应用于某倒虹吸工程中,综合比较有限元方法与弹性地基梁法的差异.1 工程实例南水北调中线某大型倒虹吸工程,全长4395 m,管身为三孔一联的预应力混凝土箱形结构,每孔倒虹吸过水断面尺寸为6.6 m×6.5m(高×宽),底板、顶板及边墙厚度均为1.0 m,中墙厚度0.8m.倒虹吸顶部高程82.7m,底内表面高程75.1 m.顶部覆土高度5.5m,上游渠道设计水位86.11 m,地下水位84.6 m.以下分析取一典型过水断面,作为平面应变问题处理.模型坐标原点位于倒虹吸底板下缘的中间,其中y、z坐标轴分别对应倒虹吸结构的水平向和竖直向,计算范围及土层状况如图1所示.图1 倒虹吸结构与土层分布示意(单位:mm)倒虹吸管身混凝土等级C40,取弹性模量为3.25 ×104MPa,泊松比0.167,重度25.0 kN/m3.倒虹吸管底垫层混凝土等级C10,取弹性模量为1.75×104 MPa,泊松比0.167,重度24.0kN/m3.倒虹吸顶部、两侧回填土体及下卧层土体的主要物理力学参数见表1.表1 倒虹吸回填土层及下卧层土体的主要物理力学参数土层名称变形模量E0/MPa 泊松比νc密度/(kg◦m-3)湿密度ρ 浮密度ρ1有效内摩擦角φ /°粘聚力c /kPa卵石 55.00 0.30 2038.7 1200 33 0中砂 4.18 0.33 2028.5 1049 24.8 16.2壤土 6.14 0.33 2018.3 1013 17.2 38粘土 9.85 0.33 2079.5 1072 15 44.52 倒虹吸结构有限元计算模型2.1 弹性地基梁法温克尔地基模型假设地基表面任一点的沉降与该点单位面积上所受的压力成正比,这种假设实际上是把地基模拟为刚性底座上一系列独立的弹簧[2].温克尔假设使弹性地基梁的计算大为简化,因而在实际工程中得到广泛应用.对于大型的箱形结构应按弹性地基上的框架,并计入边荷载影响来作内力分析[3].地基与管身之间的相互作用用均布的弹簧模拟,底板弹簧的刚度用垫层系数乘以每根弹簧支撑的面积来计算.平面应变数值模型及荷载分布如图2所示.图2 倒虹吸结构整体有限元网格剖分及荷载分布示意温克尔地基模型把土体模拟为一系列侧面无摩擦的土柱或无限多个各自孤立的弹簧,忽略了地基的整体性与连续性,不能全面地反映地基结构的实际,改进后把地基看作一个均质、连续、弹性的半无限平面,即半无限平面弹性地基模型.采用半无限平面弹性地基模型时,倒虹吸管两侧原位土和回填土对结构的影响均以外荷载代替,把倒虹吸结构连同与结构相连的部分地基一起,用有限元法来计算,倒虹吸与垫层、垫层与土体之间均建立接触,把单元内各点位移用结点位移表示,从而把各点应力也用结点位移表示出来.2.2 有限元数值分析方法在研究地下倒虹吸结构的工作机理时,管道因受力而变形,由于管道左右侧壁和底部外凸挤压土体,引起了土体对管道的弹性抗力,来约束管壁向外变形,以弥补结构刚度的不足,由此可见,结构周围土体既是作用在结构上的荷载,又是参与变形的一种介质.因此,必须把结构周围一定范围内的填土体作为结构的一部分加以考虑,将倒虹吸结构与周围土体作为一个整体统一研究分析[4].考虑倒虹吸下部地基土对结构内力分布的影响,根据圣维南原理和计算经验,竖直方向地基深度取2倍倒虹吸宽度,水平方向从倒虹吸边墙向外各取2.5倍倒虹吸宽度.结构与土体相互作用通过接触设定来实现,土体左右两侧水平约束,下部竖向约束,上部为自由边界.有限元模型和边界条件如图3所示.图3 倒虹吸结构与土体相互作用的有限元计算模型2.3 计算工况以完建期倒虹吸结构的受力状况进行分析,作用在倒虹吸结构上的荷载包括:结构自重、倒虹吸内水压力及地下水荷载.具体计算工况见表2.表2 计算工况工况计算方法地基土体地基土体材料性质1 弹性地基梁法-温克尔地基模型均质中砂弹性材料23平面弹性地基模型均质中砂弹性材料Mohr-Coulomb弹塑性材料4 有限元数值分析方法均质中砂 Mohr-Coulomb弹塑性材料5 有限元数值分析方法中砂-壤土-粘土分层地基 Mohr-Coulomb弹塑性材料弹性地基梁法-半无限3 计算结果和分析图4～6分别为典型工况1,工况2与工况4下倒虹吸结构的Y方向与Z方向应力等值线图,其中拉应力为正,压应力为负.图4 工况1倒虹吸结构的Y方向与Z方向应力等值线图计算结果显示,无论是采用弹性地基梁法还是有限元数值分析方法,倒虹吸结构的拉压应力区大致相同.结构Y向最大拉应力出现在中墙与顶板交界的顶部区域,最大压应力出现在中墙与顶板交界的内侧区域;Z向最大拉应力出现在两侧边墙外侧的下端,最大压应力出现在两侧边墙内侧的下端.而在考虑土体与结构的相互作用时倒虹吸的Z向应力分布更均匀,在侧墙与底板部分反映突出,且应力数值均比弹性地基梁计算结果大.其中各种计算模型下的最大应力值见表3.表3 各种计算工况下的应力最值(单位:MPa)工况1 工况2 工况3 工况4 工况5 Y 向最大值 3.189 3.127 3.031 3.789 3.544最小值 -3.582-3.208-3.100-3.700-3.468 Z向最大值 2.10 2.110 1.954 2.961 2.695最小值 -3.713-3.625-3.465-4.631-4.353由表3可以看出,弹性地基梁法-温克尔地基模型与半无限平面弹性地基模型计算倒虹吸结构拉应力值基本相同,Y向最大拉应力为3.15MPa,Z向最大拉应力为2.1MPa,两者误差小于1.5%,说明在均质中砂地基条件下,两种地基模型的差别对结构应力影响不大.而半无限弹性地基模型下结构的压应力相比于温克尔模型结果略小,原因是前者考虑了地基中应力的扩散,倒虹吸结构底部与土体接触部分变形协调较好.工况2、3对比显示,弹性地基梁法采用半无限平面弹性地基模型,中砂采用MC材料时,由于考虑了土体的非线性性质,其结构应力相对于弹性情况有所减小.当把倒虹吸与周围土体作为整体研究时,土体与结构的相互作用对后者的主要受力方向(Y向与Z向)应力有明显的影响,使其拉压应力相对于弹性地基梁地基模型均有所增大,Y向最大拉应力增幅21%,Z向最大拉应力增幅41%,压应力的变化呈现同样的特点,等值线图显示倒虹吸结构应力分布位置没有特别明显的变化,说明土体对结构的受力起主要作用.对于大型箱形倒虹吸结构一般的计算方法是将结构与地基分开考虑,它只满足了总荷载和总反力的静力平衡条件,却未能考虑结构与土体之间的接触点上位移连续的条件,从而导致结构内力与变形和基础内力与变形与实际发生偏离.因此,土体与结构的相互作用是分析地下倒虹吸结构应力及变形的一个不可忽略的因素,同时也说明土体对结构破坏的影响主要是通过两者相互作用引起的. 由于壤土和粘土的变形模量大于中砂的变形模量,分层地基条件下倒虹吸结构的应力相比于均质中砂地基有所减小,Y向最大拉应力减小6.7%,Z向最大拉应力减小9.1%,可见在给定的地基条件下土层的变化对倒虹吸结构的应力影响不大.4 结论通过以上实例对比计算方法,分析可得以下结论:(1)工程中通常采用的弹性地基梁法温克尔地基模型与半无限平面弹性地基模型计算结果在给定的中砂地基条件下有明显可对比性,由于半无限弹性地基模型考虑了土体的连续性,能够更真实地反映结构与土体之间力的传递.(2)将土体和结构作为相互独立的两个部分,即把土体对结构的作用简化为力的作用,而这种力不随结构形式和地基条件变化,视其为常量,与实际不符.考虑结构与土体相互作用是分析地下倒虹吸结构应力及变形的不可忽略的因素,有限元数值分析考虑了结构、填土和地基的共同作用,避免对土压力过低计算,使计算结果能够更准确地反映真实情况,该方法可在具体设计中选用.(3)从应力成果分析来看,倒虹吸结构Y向与Z向最大拉应力一般出现在中墙与顶板、边墙与底板的交界处,在实际工程应用中可通过在角隅部分加腋来减小拉应力的突变.参考文献:[1] 赵新波,赵国杰,付斌,等.南水北调中线工程淝河倒虹吸结构设计[J].水利水电工程设计,2009,28(1):4-6.[2] 龙驭球.弹性地基梁的计算[M].北京:人民教育出版社,1981.[3] 沈英武.弹性地基梁和框架分析文集[M].北京:水利出版社,1980.[4] 黄清猷.地下管道计算[M].武汉:湖北科学技术出版社,1987.。
南水北调工程箱形倒虹吸非线性有限元分析
南水北调工程箱形倒虹吸非线性有限元分析南水北调工程是我国当前最大的水利工程，是一项围绕解决我国南北水资源分布不均衡问题的重要工程。
而箱形倒虹吸作为南水北调工程的主要接水设施之一，其结构的复杂性和特殊性给工程设计带来了许多挑战。
为了保证倒虹吸的稳定性和安全性，在设计过程中需要进行非线性有限元分析，本文将对南水北调工程箱形倒虹吸进行研究和分析。
在研究中，我们首先对箱形倒虹吸的基本结构进行了了解和描述。
箱形倒虹吸是一种双层结构，内层为中空箱体，外层为固定结构。
它主要依靠水力作用实现自吸取水，倒虹吸效应更好地实现水的引入。
箱形倒虹吸结构的分析主要有两个方面，一是内层箱体的受力分析，二是外层固定结构的受力分析。
在内层箱体的受力分析中，我们采用了非线性有限元方法。
首先，我们对箱体的材料性质进行了研究，确定了合适的模型。
然后，在建立有限元模型时，我们采用了Tetrahedron单元，通过离散化的方法将箱体划分为许多小单元，以便进行计算。
接下来，我们分析了箱体受力的主要因素，包括水荷载、水压力、重力等。
通过应变-应力关系的分析，我们得到了箱体在受力下的变形情况和应力分布。
在外层固定结构的受力分析中，我们同样采用了非线性有限元方法。
与内层箱体类似，我们首先确定了合适的模型，并进行了有限元网格划分。
我们考虑了固定结构的水流动力特性以及其他外部因素对其受力的影响，进行了相关计算分析。
通过对比和综合两个层面的分析结果，我们可以得出完整的结构受力情况和变形情况。
通过对南水北调工程箱形倒虹吸进行非线性有限元分析，我们可以得出以下几点结论。
首先，箱形倒虹吸结构在受到作用力时会发生较大的变形，但整体结构仍能保持稳定。
其次，箱体内部的受力主要由水荷载和水压力引起，外部固定结构的受力主要由水流动力和其他外部因素引起。
最后，通过合理的设计和优化，可以进一步提高箱形倒虹吸的受力性能和稳定性。
综上所述，南水北调工程箱形倒虹吸的非线性有限元分析是确保工程稳定安全的重要环节。