山西省中部引黃工程天古崖渡槽設(shè)計(jì)

周曉晨

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

山西省中部引黃工程自天橋水電站庫區(qū)取水，供水范圍包括忻州市、呂梁市、臨汾市、晉中市4市16個(gè)縣（ 市、區(qū)），涉及 9個(gè)縣（ 市、區(qū)），是山西省“ 十二五”規(guī)劃大水網(wǎng)建設(shè)中的一項(xiàng)重要工程。

本工程規(guī)模為大（二）型，工程等別為Ⅱ等，主要永久建筑物為2級(jí)，主要永久建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，200年一遇洪水校核；抗震設(shè)防烈度按Ⅵ度設(shè)防，按Ⅵ度考慮抗震工程措施；天古崖渡槽設(shè)計(jì)流量為20.94 m3/s。

天古崖渡槽位于興縣境內(nèi)，橫跨嵐漪河，設(shè)計(jì)樁號(hào)為中部引黃工程總干線樁號(hào)45+181.30—45+308.50段，處于總干隧洞2號(hào)洞出口與總干隧洞3號(hào)洞進(jìn)口之間；上游接興縣分水閘，下游接2號(hào)暗涵。

2 工程地質(zhì)情況

天古崖渡槽位于興縣天古崖水庫下游約500 m的嵐漪河上，該處嵐漪河流向N80°W，渡槽跨越嵐漪河處寬度約50 m。該處嵐漪河河谷呈“U”型，兩岸均為基巖岸坡，坡度陡立，坡頂少量松散堆積物。溝底地面高程970 m左右，兩岸坡頂?shù)孛娓叱? 015 m左右，高差約45 m。兩岸基巖為奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組中段厚層灰?guī)r、豹皮狀灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r，灰?guī)r巖性較堅(jiān)硬，泥灰?guī)r巖性軟弱。巖體中巖溶發(fā)育，主要為小型溶洞。岸坡頂部為第四系中更新統(tǒng)坡洪積物，巖性為卵石混合土、低液限粉土，結(jié)構(gòu)松散，厚度3～15 m，由岸坡邊緣向兩側(cè)厚度逐漸加大。溝底為第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土，卵礫石主要為灰?guī)r，少量變質(zhì)巖，粒徑10～60 mm，少量漂石，細(xì)粒為級(jí)配不良砂及巖屑，局部架空結(jié)構(gòu)。鉆孔揭露深度17.6 m。

該處巖層為單斜巖層，巖層傾向嵐漪河下游偏左岸，強(qiáng)風(fēng)化厚度3～5 m，巖體中發(fā)育北東向和北西向兩組節(jié)理裂隙，無斷裂構(gòu)造。地下水類型主要為碳酸鹽巖溶水及松散巖類孔隙水，碳酸鹽巖溶水穩(wěn)定水位埋深較大，松散巖類孔隙水含水層主要為第四系全新統(tǒng)洪沖積物，賦水性較好，主要接受大氣降水補(bǔ)給，為補(bǔ)給型河谷，由兩岸向河谷徑流排泄。

鉆孔取弱風(fēng)化灰?guī)r進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其物理力學(xué)指標(biāo)：天然密度2.74 g/cm3，吸水率0.26%，烘干單軸抗壓強(qiáng)度48.8 MPa，飽和單軸抗壓強(qiáng)度39.1 MPa，軟化系數(shù) 0.8，泊松比 0.22，飽和變形模量 5.61×104MPa，飽和凝聚力5.64 MPa，內(nèi)摩擦角47.7°。孔內(nèi)進(jìn)行注水試驗(yàn)，灰?guī)r層具中等透水性。第四系全新統(tǒng)洪沖積卵石混合土層錐貫擊數(shù)16～50擊，結(jié)構(gòu)中密—密實(shí)。

3 工程布置及主要建筑物

3.1 工程布置

山西省中部引黃工程線路總干線樁號(hào)45+181.30—45+308.50段由于兩岸岸坡陡峭且溝底距岸坡頂部高差較大，故采用渡槽作為跨河建筑物較為合理。

線路跨越嵐漪河處長度約120 m，設(shè)計(jì)水位距河底約45 m。若直接采用排架或槽墩作為槽身的支承結(jié)構(gòu)，上部槽身采用普通現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，則排架或槽墩的間距過密，不僅影響美觀，而且影響下部嵐漪河河道中的過流。若采用大跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土槽身，則要求兩岸有較為寬闊的施工場地和架設(shè)場地，而天古崖渡槽兩岸均為陡峭的岸坡，場地布置困難，故此方案不可取。經(jīng)綜合比選，最終確定天古崖渡槽結(jié)構(gòu)形式為梁拱結(jié)合式的普通混凝土結(jié)構(gòu)。

天古崖渡槽槽身全長127.2 m，槽底縱坡1/3 000。渡槽共設(shè)排架23座，拱肋2跨，上下游邊墩各1個(gè)，上下游拱腳支撐各1個(gè)，槽墩1個(gè)。

渡槽主體跨嵐漪河段為兩跨肋拱型式，兩岸槽身距離地面較近處為梁式。梁式渡槽段槽身架設(shè)于排架或上下游邊墩頂部，排架及上下游邊墩底部設(shè)置于嵐漪河兩岸的弱風(fēng)化基巖上。肋拱式渡槽段槽身架設(shè)于排架上，排架底部與下部拱肋澆鑄成整體。拱肋設(shè)上下游拱腳支座各1座，槽墩1座，上下游支座底部設(shè)于兩岸弱風(fēng)化基巖上，槽墩設(shè)于河槽底部，為保證槽墩承載力及穩(wěn)定，在槽墩基礎(chǔ)下設(shè)混凝土灌注樁，樁底打入河床下弱風(fēng)化基巖內(nèi)。

3.2 主要建筑物

3.2.1 槽身

天古崖肋拱渡槽槽身采用C30混凝土，抗凍等級(jí)F200，抗?jié)B等級(jí)W6，槽身混凝土添加3%～5%抗裂防水劑，限制膨脹率水中7 d≥0.03%，空氣中21 d≥-0.02%，其中產(chǎn)品檢測嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土膨脹劑》《砂漿、混凝土防水劑》，凈寬4.0 m，凈高4.1 m，壁厚0.4 m，槽內(nèi)設(shè)計(jì)水深3.82 m，槽身全長127.2 m，按長度分為5.3 m，10.6 m，15.9 m三種，分別以簡支梁及連續(xù)梁的型式架設(shè)于間距為5.3 m的排架上。各段槽身間設(shè)40 mm寬的伸縮縫，縫內(nèi)設(shè)剛性止水及柔性止水各一道。

3.2.2 排架

渡槽共設(shè)C25混凝土（抗凍等級(jí)F200）排架23座，其中8座設(shè)于拱肋上與拱肋澆鑄成整體，其余排架通過排架基礎(chǔ)或拱腳支座設(shè)于岸坡上。排架高度5.8～16.2 m，每座排架均由排架柱及柱間橫梁組成，排架柱斷面尺寸0.8 m×0.6 m，橫梁斷面尺寸0.6 m×0.4 m。排架頂部支撐槽身處設(shè)橡膠支座。排架與肋拱連接處排架鋼筋應(yīng)與肋拱預(yù)留鋼筋焊接連接。

3.2.3 拱肋

肋拱形式段共設(shè)肋拱2跨，均為等截面懸鏈線拱，結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，單跨凈跨40 m，矢高10 m，拱軸系數(shù)1.167。單跨肋拱由兩片拱肋及連接拱肋的橫系梁、加強(qiáng)梁組成，均為C30混凝土（抗凍等級(jí)F200）結(jié)構(gòu)。兩拱肋間凈距3.2 m，拱肋斷面尺寸2.0 m×1.0 m，橫系梁斷面尺寸0.8 m×0.6 m，加強(qiáng)梁斷面尺寸0.6 m×0.4 m。上游肋拱的上游拱腳支撐于上游拱腳支座上，下游拱腳支撐于槽墩墩頭上。下游肋拱的上游拱腳支撐于槽墩墩頭上，下游拱腳支撐于下游拱腳支座上。拱肋鋼筋與拱腳支座及墩頭預(yù)留鋼筋焊接連接。

3.2.4 槽墩

槽墩位于嵐漪河河槽底部，槽墩上部墩頭支撐兩跨肋拱的拱腳，槽墩下部通過承臺(tái)與地基內(nèi)混凝土灌注樁連接，槽墩、承臺(tái)、混凝土灌注樁材料均為C25混凝土（抗凍等級(jí)F200）。槽墩墩頭斷面為八邊形型式，寬4.1 m，高4.2 m，垂直水流方向長6.8 m。墩頭預(yù)留鋼筋與拱肋鋼筋連接。墩身高17 m，為空心墩型式，壁厚0.8～1.2 m，頂部設(shè)4 m高實(shí)體段，底部設(shè)3 m高實(shí)體段。頂部斷面尺寸2.0 m×8.8 m，底部斷面尺寸3.1 m×9.9 m，墩身表面坡度 30∶1。

由于河床底部覆蓋層為卵石混合土，承載力不足，故采用混凝土灌注樁基礎(chǔ)。經(jīng)計(jì)算，為滿足承載力及穩(wěn)定要求，在地基內(nèi)設(shè)置鋼筋混凝土灌注樁6根，單根直徑1.2 m，樁長20 m。樁身底部嵌入河床底弱風(fēng)化基巖，樁身頂部通過尺寸為12.0 m×6.0 m×2.0 m的鋼筋混凝土承臺(tái)與槽墩連接。墩身、承臺(tái)、混凝土灌注樁澆鑄成整體，樁身受力鋼筋及箍筋需伸入承臺(tái)150 mm，承臺(tái)預(yù)留鋼筋與上部樁身受力鋼筋焊接連接，焊接長度及焊接方法應(yīng)滿足相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范要求。

3.2.5 邊墩

天古崖肋拱渡槽在上游渡槽起始段及下游渡槽終止段各設(shè)C25混凝土（抗凍等級(jí)F200）邊墩1座，寬度均為5.8 m，上游邊墩高5.8 m，下游邊墩高3.2 m，墩頂設(shè)橡膠支座支撐槽身。邊墩底部需座于岸坡弱風(fēng)化基巖上。

3.2.6 拱腳支座

渡槽肋拱段上下游各設(shè)C25混凝土（抗凍等級(jí)F200）拱腳支座1座，支座寬度均為6.8 m，上游支座長16.2 m，高8.5 m，下游支座長6.1 m，高11.7 m。支座底部需座于岸坡弱風(fēng)化基巖上，設(shè)間距1 m、梅花形布置的長2 m、直徑20 mm的錨筋與地基弱風(fēng)化基巖連接。拱腳支座預(yù)留鋼筋與拱肋受力鋼筋焊接連接。

4 結(jié)語

天古崖渡槽的設(shè)計(jì)兼顧了結(jié)構(gòu)功能和造型美觀的需求，且綜合考慮了施工場地和施工難度的因素，最終確定了設(shè)計(jì)方案。經(jīng)計(jì)算，渡槽在各種工況下的各部位應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，渡槽可在各種工況內(nèi)安全運(yùn)行。