1 倒虹吸结构有限元分析
1.1结构尺寸
倒虹吸结构横断面结构尺寸如图1.1所示，每节长15m。
图3.1 南汊倒虹吸平直段横断面结构尺寸（单位：cm）
1.2荷载标准值
1.2.1 计算方法
倒虹吸在正常运行过程中须考虑结构自重、土压力、水压力，按照《水工建筑物荷载设计规范》DL 5077-1997的规定，以上荷载的计算方法如下：
（1）结构自重
倒虹吸管结构自重，按体积乘以钢筋混凝土容重可得。 （2）管顶土压力
采用《水工建筑物荷载设计规范》DL5077-1997上埋式埋管的土压力计算公式
fsk?Ks?Hd（1-1）
式中fsk——埋管垂直土压强标准值（kN/m2）；
?——填土容重，水下取浮容重（kN/m3）;
Hd——管顶以上填土高度(m)；
Ks——埋管垂直土压力系数，取1.0。
（3）埋管侧向土压力
按静止土压力计算，并近似用回填土的内摩擦角代替有效内摩擦角。
ftk?k0?H（1-2）
式中ftk——埋管侧向土压强标准值（kN/m2）； ； H——计算点距回填土顶面的距离（m）
?——填土容重，水下取浮容重（kN/m3）;
k0——静止土压力系数，k0?1?sin?'。
（4）静止水压力（包括扬压力）
垂直作用于结构表面某点处的静水压强按下式计算：
pwT??wH（1-3）
式中pwT——计算点处的静水压强（kN/m2）
?w——水的重度（kN/m3）； 。 H——计算点处的作用水头（m）1.2.2计算过程
1 1.2.2.1工况一○
渠道设计水位，河道无水（最低地下水位），最小覆土层厚度（取管顶以上0.5m）
渠道设计水位86.783m，河道最低地下水位为85.30m，管顶以上土厚0.5m。 （1）管顶垂直土压力 垂直土压力系数按有利考虑，取1.0
fsk?Ks?Hd?1.0?12??83.6?83.1??6.00kN/m2
（2）侧向土压力
按静止土压力计算，近似用回填土的内摩擦角代替有效内摩擦角，则有
k0?1?sin?'?1?sin33?0.445
顶部：ftk1?k0?H1=0.455×12×(83.6-83.1) =2.73kN/m2 底部：ftk2?k0?H2=0.455×12×(83.6-83.1+8.6) =49.73kN/m2 （3）外水压力 ①管顶外水压力
pw1??wH1=10×(85.30-83.1)=22.00kN/m2
②管底外水压力
pw2??wH2=10×(85.30-83.1+8.6)=108.00kN/m2
（4）内水压力 ①管顶内水压力
pw3??wH3=10×(86.783-83.1+1)=46.83kN/m2
②管底内水压力
pw4??wH4=10×(86.783-83.1+1+6.6)=112.83kN/m2
2，87.103m○3，88.000m○4，89.000m○5，90.000m○6）1.2.2.2工况二（渠道加大水位86.000m○
渠道加大水位，河道设计洪水，最大覆土层厚度9.02m
渠道加大水位87.103m，河道设计洪水92.64m，河床高程92.12m。 （1）管顶垂直土压力 垂直土压力系数按有利考虑，取1.0
fsk?Ks?Hd?1.0?12??92.12?83.1??108.24kN/m2
（2）侧向土压力
按静止土压力计算，近似用回填土的内摩擦角代替有效内摩擦角，则有
k0?1?sin?'?1?sin33?0.445
顶部：ftk1?k0?H1=0.455×12×(92.12-83.1) =49.29kN/m2 底部：ftk2?k0?H2=0.455×12×(92.12-83.1+8.6) =96.28kN/m2 （3）外水压力 ①管顶外水压力
pw1??wH1=10×(92.64-83.1)=95.40kN/m2
②管底外水压力
pw2??wH2=10×(92.64-83.1+8.6)=181.40kN/m2
（4）内水压力 ①管顶内水压力
pw3??wH3=10×(87.103-83.1+1)=50.03kN/m2
②管底内水压力
pw4??wH4=10×(87.103-83.1+1+6.6)=116.03kN/m2
7，86.783m○8，88.000m○9，89.000m○10，90.000m○11）1.2.2.3工况三（渠道设计水位86.000m○
渠道设计水位，河道校核洪水，平均覆土层厚度4.76m
渠道设计水位86.783m，河道校核洪水92.87m，河床高程87.86m。 （1）管顶垂直土压力 垂直土压力系数按有利考虑，取1.0
fsk?Ks?Hd?1.0?12??87.86?83.1??57.12kN/m2 （2）侧向土压力
按静止土压力计算，近似用回填土的内摩擦角代替有效内摩擦角，则有
k0?1?sin?'?1?sin33?0.445
顶部：ftk1?k0?H1=0.455×12×(87.86-83.1) =26.01kN/m2 底部：ftk2?k0?H2=0.455×12×(87.86-83.1+8.6) =73.00kN/m2 （3）外水压力 ①管顶外水压力
pw1??wH1=10×(92.87-83.1)=97.70kN/m2
②管底外水压力
pw2??wH2=10×(92.87-83.1+8.6)=183.70kN/m2
（4）内水压力 ①管顶内水压力
pw3??wH3=10×(86.783-83.1+1)=46.83kN/m2
②管底内水压力
pw4??wH4=10×(86.783-83.1+1+6.6)=112.83kN/m2
12 1.2.2.4工况四○
完建期，管内无水，河道无水（最高地下水位），最大覆土层厚度9.02m 最高地下水位88.80m，河床高程92.12m。 （1）管顶垂直土压力
按上埋式埋管的垂直土压力公式计算，地下水位为88.80m，河床高程92.12m，管顶高程83.10m，回填土采用砂卵石，湿容重?=20 kN/m3，浮容重?'=12kN/m3，则有
fsk?Ks?'Hd1?Ks?Hd2=1.0×12×(88.8-83.1)+1.0×20×(92.12-88.80)=134.80kN/m2
（2）侧向土压力
按静止土压力计算，近似用回填土的内摩擦角代替有效内摩擦角，则有
k0?1?sin?'?1?sin33?0.445
顶部：ftk1?k0?H1=0.455×20×(92.12-88.80) +0.455×12×(88.80-83.10)=61.38kN/m2 底部：ftk2?k0?H2=0.455×20×(92.12-88.80) +0.455×12× (88.80-83.10+8.6)=108.38kN/m2 （3）外水压力 ①管顶外水压力
pw1??wH1=10×(88.8-83.1)=57.00kN/m2
②管底外水压力
pw2??wH2=10×(88.8-83.1+8.6)=143.00kN/m2
（4）内水压力 管内无水。
13，85.000m○14，86.000m○15，86.783m○16，88.000m○17）1.2.2.5工况五（渠道设计水位84.000m○
渠道设计水位，河道无水（最高地下水位），两边孔检修，中孔过水，最大覆土层厚度9.02m
渠道设计水位86.783m，最高地下水位88.80m，河床高程92.12m。 （1）管顶垂直土压力
按上埋式埋管的垂直土压力公式计算，地下水位为88.80m，河床高程92.12m，管顶高程83.10m，回填土采用砂卵石，湿容重?=20 kN/m3，浮容重?'=12kN/m3，则有
fsk?Ks?'Hd1?Ks?Hd2=1.0×12×(88.8-83.1)+1.0×20×(92.12-88.80)=134.80kN/m2
（2）侧向土压力
按静止土压力计算，近似用回填土的内摩擦角代替有效内摩擦角，则有
