U型渡槽設(shè)計(jì)優(yōu)化

李小東（焦作市引沁灌區(qū)管理局，河南 焦作454650）

U型渡槽設(shè)計(jì)優(yōu)化

李小東
（焦作市引沁灌區(qū)管理局，河南 焦作454650）

小浪底北岸灌區(qū)工程總干渠穿越硯瓦河，架設(shè)渡槽作為輸水建筑物；渡槽架空高，工程質(zhì)量和耐久性高，作為比選方案之一，擬采用現(xiàn)澆混凝土U型槽身，現(xiàn)澆混凝土排架支撐，鋼筋混凝土灌注樁；在施工工藝上，針對(duì)跨越山區(qū)河流的地形條件，采用鋼管模架支撐平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)澆筑槽身施工方案。

U型渡槽；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化；整體施工方案；小浪底北岸灌區(qū)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.031

1 概述

小浪底北岸灌區(qū)硯瓦河支渡槽位于濟(jì)源市坡頭鎮(zhèn)境內(nèi)，總干渠6+552～6+745處跨越硯瓦河支流，渡槽全長(zhǎng)193m，縱坡1∶600，設(shè)計(jì)流量30m3/s。渡槽在交叉斷面以上流域面積35km2，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20a一遇設(shè)計(jì)洪水。渡槽級(jí)別為3級(jí)，地震烈度為Ⅶ度。當(dāng)?shù)囟嗄昶骄L(fēng)速1.3m/s，最大風(fēng)速17.7m/s。本文以硯瓦河支渡槽為例，對(duì)渡槽U型槽身、排架支撐總體方案的設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工方案進(jìn)行探討，作為渡槽比選方案之一。

2 渡槽總體布置

該渡槽位于低山丘陵，兩岸地面高程216～223m，溝底高程185m，場(chǎng)區(qū)有小路通往鄉(xiāng)村公路，交通條件較便利。

硯瓦河支渡槽上接7號(hào)隧洞，下連8號(hào)隧洞，渡槽與隧洞通過(guò)20m暗渠相連。渡槽、暗渠、隧洞呈直線型，水流平順。渡槽與硯瓦河支流河道呈正交，硯瓦河支流在渡槽下游500m處匯入硯瓦河處，河勢(shì)平順。硯瓦河支渡槽上部結(jié)構(gòu)工程主要由進(jìn)口漸變段、槽身段、出口漸變段三部分組成，分別為C30鋼筋混凝土矩形流槽、C40鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)和C30鋼筋混凝土矩形流槽，全長(zhǎng)193m。

3 渡槽上部結(jié)構(gòu)

渡槽結(jié)構(gòu)型式應(yīng)根據(jù)渡槽級(jí)別、規(guī)模、地形、地質(zhì)、地震、建筑材料、施工方法、環(huán)境條件、運(yùn)行管理要求等因素，因地制宜、技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。

硯瓦河支渡槽上游側(cè)為黃土臺(tái)地，下游側(cè)為自然山坡，局部基巖出露。梁式渡槽整體受力好、造價(jià)低、施工維護(hù)方便；拱式渡槽和斜拉式渡槽，投資也相對(duì)較大；桁架式渡槽桿件制作較為復(fù)雜困難，混凝土弦桿桿端鉸接處受力復(fù)雜，容易開(kāi)裂。因此初步選定硯瓦河支渡槽上部結(jié)構(gòu)采用梁式渡槽[1]。

梁式渡槽在受力體系上，又可分為簡(jiǎn)支渡槽和連續(xù)渡槽兩種。考慮到硯瓦河支渡槽槽體結(jié)構(gòu)斷面尺寸大、荷載大、沉降變形影響因素較為復(fù)雜，為減少不均勻沉降對(duì)槽體結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響，降低施工難度，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)受力條件的角度出發(fā)，選用渡槽槽身采用簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。

3.1 槽身尺寸的確定

渡槽的跨度選擇應(yīng)符合技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的要求，鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)跨度為8～15m；預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)跨度為25～50m。初步擬定采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土槽身，渡槽跨度選用15m。硯瓦河支渡槽平均高度20m，渡槽下交通路凈空滿足道路交通要求。

渡槽槽身斷面形式分矩型槽身、U型槽身、箱型槽身等，具體采用哪種截面形式要綜合考慮受力特性、渡槽規(guī)模、槽下凈空及施工等多方面因素決定。槽身正截面抗裂要求高，在槽身內(nèi)壁表面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，槽身外壁表面拉應(yīng)力應(yīng)＜混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的0.9倍。小浪底北岸灌區(qū)總干渠現(xiàn)有南溝渡槽、仙口河渡槽采用箱型槽身；硯瓦河渡槽、大溝河渡槽采用矩型槽身。為考慮渡槽美觀、外形差異、經(jīng)濟(jì)合理等因素，初步選用U型槽身，槽身寬深比為0.9。硯瓦河支渡槽設(shè)計(jì)過(guò)水流量30m3/s，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算，槽身凈深3.6m，凈寬4.0m，渡槽設(shè)計(jì)水深2.8m，寬深比和整體受力較為合理。槽身內(nèi)壁半徑2.0m，壁面厚0.25m，直段高1.6m；頂梁寬0.3m，高0.5m；渡槽頂部沿縱向每2m設(shè)置1根0.3m×0.3m的拉桿。槽身在支座斷面處為矩形為，厚0.55m厚，順槽身方向長(zhǎng)0.6m。

3.2 槽身內(nèi)力計(jì)算

U形槽身縱向應(yīng)力計(jì)算時(shí)，需先求出截面形心軸位置及形心軸至受壓區(qū)和受拉區(qū)邊緣的距離y1和y2(見(jiàn)圖1、圖2)，再按下式計(jì)算。

圖1 截面形心軸位置及形心軸至受壓區(qū)邊緣的距離y1示意圖

圖2 截面形心軸位置及形心軸至受拉區(qū)邊緣的距離y2示意圖

對(duì)于較重要工程，按式(3)作抗裂驗(yàn)算：

式(3)中，I0為換算截面慣性矩；y'2為換算截面形心軸至受拉邊緣距離。

U形槽身的縱向配筋一船按總拉力法計(jì)算，即考慮受拉區(qū)混凝土已開(kāi)裂不能承受拉力，形心軸以下全部拉力由鋼筋承擔(dān)。

U型薄殼渡槽槽身橫向內(nèi)力計(jì)算一般是將槽殼作為一次超靜定結(jié)構(gòu)的鉸接曲桿框架結(jié)構(gòu)，用力法先求出橫桿的多余未知力，然后利用靜力平衡方程計(jì)算各截面的彎矩和軸力。槽身各截面根據(jù)內(nèi)力的不同，分別為偏心受壓和偏心受拉構(gòu)件，一般以最大負(fù)彎矩截面和最大正彎矩截面最為計(jì)算控制截面，分別進(jìn)行槽壁內(nèi)側(cè)及外側(cè)的配筋及抗裂計(jì)算。

3.3 電算軟件的使用

河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司熊啟鈞編寫(xiě)的“U型薄殼渡槽結(jié)構(gòu)計(jì)算程序”，界面直觀，應(yīng)用簡(jiǎn)便，對(duì)本次渡槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化起到很大的幫助[2]。

4 渡槽下部結(jié)構(gòu)

渡槽槽身單跨長(zhǎng)15m，渡槽下部支撐采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土單排架。鋼筋混凝土單排架高度不超過(guò)20m，高于20m的采用組合墩方案，下部為重力墩，上部為單排架。排架柱順?biāo)鞣较驅(qū)挾萣=0.8m，垂直水流方向高度h=0.5m，排架柱中心距離4.0m；排架橫梁間距4m，橫梁寬0.5m、高0.5m。

排架縱向（順?biāo)较颍┌粗行氖軌簶?gòu)件計(jì)算，并考慮縱向彎曲的影響；渡槽槽身按簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)，柱頂壓力分布按近似三角形分布考慮。渡槽排架在施工階段或運(yùn)行階段會(huì)出現(xiàn)偏心受壓情況，需要校核這兩種情況偏心荷載荷載影響。排架橫向?yàn)閱慰缍鄬涌蚣埽?jié)點(diǎn)水平荷載主要為風(fēng)荷載，河道汛期洪水位較低，不考慮水壓力。為縮短槽跨，滿足槽身端肋支撐要求，降低排架頭的承壓應(yīng)力，排架頭部伸出懸臂短梁，頂部寬1.3m。槽身與蓋梁之間設(shè)GPZ系列盆式橡膠支座。

5 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

硯瓦河支渡槽地貌單元屬低山丘陵，兩岸地面高程216～223m，溝底高程185m，場(chǎng)區(qū)有小路通往鄉(xiāng)村公路，交通條件較便利。硯瓦河支渡槽場(chǎng)區(qū)地層上覆第四系黃土和坡積碎石，下伏中三疊統(tǒng)二馬營(yíng)組砂巖、泥巖，為土巖雙層結(jié)構(gòu)，按巖性共分3個(gè)地質(zhì)單元，自上而下分別為：黃土、碎石、泥巖、砂巖互層。工程區(qū)地下水賦存于三疊系基巖中，屬基巖裂隙水，埋深1.1～2.8m，對(duì)砼無(wú)腐蝕性。場(chǎng)區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為土巖雙層結(jié)構(gòu)，地層空間分布相對(duì)穩(wěn)定，下部泥巖砂巖互層承載力高，上部黃土、坡積碎石承載力略低[3]。

鉆孔灌注樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載力較高，抗震性能好，沉降量小且荷載分布均勻，可適用于各種硬、軟土層，施工設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，可在多工作面同時(shí)展開(kāi)，施工工期較短，故選定渡槽基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)。

根據(jù)硯瓦河支渡槽工程區(qū)的地質(zhì)情況，樁基礎(chǔ)按端承樁進(jìn)行設(shè)計(jì)。承臺(tái)順槽向?qū)?.6m，橫槽向長(zhǎng)5.6m，厚度1m，承臺(tái)下設(shè)2根鉆孔灌注樁，直徑0.8m的鉆孔灌注樁，間距4m，灌注樁沉入新鮮巖石面應(yīng)＞1m。

6 渡槽施工方案

鉆孔灌注樁工藝成熟，質(zhì)量控制穩(wěn)定，采用泥漿護(hù)壁施工法。該施工法過(guò)程是：平整場(chǎng)地→泥漿制備→埋設(shè)護(hù)筒→鋪設(shè)工作平臺(tái)→安裝鉆機(jī)并定位→鉆進(jìn)成孔→清孔并檢查成孔質(zhì)量→下放鋼筋籠→灌注水下混凝土→拔出護(hù)筒→檢查質(zhì)量。

混凝土排架柱采用現(xiàn)場(chǎng)立模澆筑，以每個(gè)聯(lián)系橫梁為單元，分段澆筑。施工過(guò)程：鋼筋綁扎→模板安裝→混凝土澆筑→拆模與養(yǎng)護(hù)。

U型渡槽槽身施工：渡槽跨越河流為山區(qū)河流，岸線變化大，雖然附近有交通道路，但大型起重機(jī)無(wú)法進(jìn)場(chǎng)和施工，故采用106mm鋼管、配合貝雷梁搭設(shè)施工平臺(tái)，然后在平臺(tái)上現(xiàn)場(chǎng)澆筑槽身。施工過(guò)程如下：平整場(chǎng)地→基礎(chǔ)墊層→架設(shè)鋼管→鋪設(shè)貝雷梁→安裝施工平臺(tái)→加載預(yù)壓→安裝外模板→綁扎鋼筋→安裝內(nèi)模板→澆筑混凝土→拆模與養(yǎng)護(hù)。

7 結(jié)語(yǔ)

每個(gè)水利工程都要融入是當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境的中，和附近自然組成和諧的風(fēng)景。因此，在工程設(shè)計(jì)中，不僅要考慮技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理，更應(yīng)該考慮景觀藝術(shù)。在硯瓦河支渡槽的設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行多方案必選也是必須的。本文以硯瓦河支渡槽為例，詳細(xì)分析了渡槽整體布置，推薦選取了該渡槽較適合的結(jié)構(gòu)型式、斷面形式、跨徑布置與建議施工方案等，為工程實(shí)施作了許多優(yōu)化研究。本方案作為渡槽必選方案之一，也可供其他工程渡槽設(shè)計(jì)方案擬定借鑒和參考。

【1】SL482—2011灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

【2】熊啟鈞.灌區(qū)建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)計(jì)算[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

【3】崔鳳友.渡槽支撐排架設(shè)計(jì)示例[J].黑龍江水利科技，2010(5)：5-6.

Optimum Design of U Type Aqueduct

LIXiao-dong
（JiaozuoCityQinIrrigationManagementBureau，Jiaozuo454650，China)

Xiaolangdi irrigation project on North Main Canal crossing the river the tile inkstone, erecting aqueduct as waterconveyance structure; high aerial flume, engineering quality and high durability, as than choose one of the options, intends to use thecast-in-place concreteU-shape groove, cast-in-place concrete bent frame bracing and reinforced concrete pouring of concrete pile; inthe construction process, for across themountainous river terrain conditions, the steel formwork supporting platform, on-site pouringgroove constructionscheme.

Utype aqueduct; structural design and optimization; overall construction plan; theNorthBank of theXiaolangdiDamarea

TV672+.3

B

1007-9467（2016）12-0113-03

2016-06-28

李小東（1972～），男，河南濟(jì)源人，工程師，從事水利施工技術(shù)研究。