千陽縣千豐渠南干渠道渡槽設計淺析

李子珮李鋒劉偉

（1.長安大學陜西西安710018 2.西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司陜西西安710018 3.渭南市東雷抽黃灌溉工程管理局陜西合陽715300）

千陽縣千豐渠南干渠道渡槽設計淺析

李子珮1李鋒2劉偉3

（1.長安大學陜西西安710018 2.西安景天水利水電勘測設計咨詢有限公司陜西西安710018 3.渭南市東雷抽黃灌溉工程管理局陜西合陽715300）

本文通過對千豐渠南干渠渡槽設計中地質條件、輸水結構形式、渡槽結構設計以及穩(wěn)定驗算等幾個關鍵環(huán)節(jié)進行了探討分析，為同類灌區(qū)渠道渡槽設計提供參考。

水利工程;渡槽設計;探索

1 概況

千豐渠灌區(qū)位于千陽縣西北部，涉及千陽縣草碧、水溝、寇家河、柿溝、城關五個鄉(xiāng)鎮(zhèn)22個行政村。灌區(qū)輸配水渠道由干渠、斗渠、農渠三級固定渠道組成。南干渠干渠長度21.18km,設計輸水流量1.0m3/s，控制灌溉面積14640畝。該區(qū)域在構造上處于三個構造單元的復合部位，主要斷裂帶為隴縣—草碧—岐山斷裂帶，此斷裂呈NW方向延伸為區(qū)域活動性斷裂，因而形成了千河河道的現(xiàn)狀走向。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15g，地震動反應普特征周期為0.35s，相應的地震基本烈度為Ⅶ度。工程區(qū)位于許營地區(qū)，屬于千河一級階地內，以沖積洪積的砂卵石層為主，其膠結性差，易松散，抗沖性低，千河河床蜿蜒曲折，游蕩不定，對兩岸的防洪減災工作造成極大的困難。千河河岸屬Ⅳ級自重濕陷性黃土地基上，屬大厚度濕陷性黃土。從地質條件分析中可以看出，該區(qū)域均以砂礫石地層為主，無不良地質現(xiàn)象存在。其地質條件比較理想，不存在地基塌陷或變形浸沒現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性較高。

2 輸水結構形式的選擇

2.1 輸水形式選擇

南干渠跨越溝壑，渡槽做為一種輸水方式，是渠道跨越溝壑的明流輸水建筑物。由于其水頭損失小，受地形地質條件影響小，不易淤積，也方便南干渠所經(jīng)溝壑的交通和通航。在槽身支承結構形式選擇上，目前渡槽支承結構形式有雙排和單排，雙排架是由兩個單排架，中間以橫梁連接而成，屬空間結構受力較復雜。A字形排架是兩片單排架的腳放寬，頂端連在一起而成的；單排架體積小，重量輕，現(xiàn)場澆筑和預制吊裝方便，雖然雙排架穩(wěn)定性好，適應高度較大，但是其造價較高，施工較復雜。所以根據(jù)許營段地質和地形條件，該段渡槽采用單排架做為槽身支承結構。

2.2 渡槽的位置選擇

渡槽的位置選擇是選定渡槽的中心線及槽身起止點的位置。在本渡槽中心線選定上，要考慮到以下幾個因素：

（1）槽址應盡量選在地質良好、地形有利和便于施工的地方，以便縮短槽身長度、減少工程量、降低墩架高度；

（2）槽軸線最好成一直線，進口和出口避免急轉彎，否則將惡化水流條件，影響正常輸水；

（3）跨越河流的渡槽，槽軸線應與河道水流方向盡量成正交，槽址應位于河床及岸坡穩(wěn)定、水流順直的地段，避免位于河流轉彎處；

（4）為了在渡槽或上、下游填方渠道發(fā)生事故時停水檢修，常常在進口段或進口前的適當位置設置節(jié)制閘，以便與泄水閘聯(lián)合運用，使渠水泄入溪谷或河道。

2.3 槽身橫斷面型式選擇

槽身斷面有矩形和半圓型上加直墻的U型斷面，矩形槽身施工方便，耐久性、抗凍性好，結構簡單，U型斷面與矩形槽身相比有水力條件好、縱向剛度大，省鋼材等優(yōu)點，但抗凍性差、不耐久，施工工藝要求高，如果施工質量不高，容易引起表面剝落、鋼絲網(wǎng)銹蝕、甚至有漏水現(xiàn)象產(chǎn)生。結合許營地段的實際情況，該次設計槽身斷面采用矩形斷面。

3 渡槽結構的選擇

3.1 槽身縱向計算

南干渠經(jīng)過多座溝壑，需修5座渡槽，分別為貓兒溝渡槽、水溝渡槽、菜子溝渡槽、沙溝渡槽、澗河渡槽，用以解決該渠段輸水問題，由于該段就其槽采用矩形過水斷面，渡槽糙率取0.016，按照明渠均勻流計算槽內正常水深。淹沒寬頂堰流公式計算渡槽進口水面降落值Z，進口水面降落為0.12m，渡槽出口水面抬升值Z，該值為0.04m，結合槽身水面降落等，確定渡槽進出口高程，連接段長度，完成槽身縱向設計。確定貓兒溝渡槽和沙溝渡槽設計槽長20m，水溝渡設計槽長30m，菜子溝渡槽和澗河渡槽設計槽長40m，槽身節(jié)數(shù)分別為2節(jié)、3節(jié)和4節(jié)。上下游均與挖方渠道連接，槽身比降取1/1000，槽寬取值1.4m，槽身比降為1：1000.槽內水深為0.66m，進口和出口渠底水深為0.78。

3.2 渡槽槽身斷面設計

槽身設計每節(jié)長10m，凈寬1.4m，凈高0.88m，拉桿高0.12m，槽身壁厚0.2m，槽身底部兩側設置邊縱梁，兩端設置端肋。伸縮縫采用橡皮止水，瀝青砂漿填縫。槽身頂部均鋪設蓋板，蓋板為厚0.1m鋼筋混凝土結構，無通行要求。

3.3 渡槽進出口段設計

進出口段的連接應力求水流銜接良好，平順的流入流出，下游渠道不發(fā)生沖刷，水頭損失小，本設計采用長扭曲面使渠道與渡槽連接。渡槽上下游渠道均為弧底梯形渠道，渡槽槽身為矩形型式水力銜接較好，進出口段均不設置連接段，只設進出口過渡段。進出口漸變段均采用扭面，進口漸變段長度按確定為4.5m，出口漸變段長度計算確定為5.5m。漸變段扭面采用M7.5漿砌石結構，厚0.4m，與槽身銜接處進行設止水。

3.4 渡槽支撐設計

根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃方案中擬定，渡槽的設計標準為3級，所以渡槽的安全級別Ⅱ級，則安全系數(shù)為γ0=1.0，混凝土重度為γ=25kN/m3，正常運行期為持久狀況，其設計狀況系數(shù)為ψ=1.0，荷載分項系數(shù)為：永久荷載分項系數(shù)γG=1.05，可變荷載分項系數(shù)γQ=1.20，結構系數(shù)為γd=1.2?？v向計算中的荷載一般按勻布荷載考慮，包括槽身重力（拉桿等小量集中荷載也換算為勻布的）、槽中水體的重力及人群荷載。其中槽身自重、水重為永久荷載,而人群荷載為可變荷載。槽身與兩岸連接處下部采用為M7.5漿砌石重力式支撐；考慮渡槽無通行要求，荷載較小，槽身下部支撐采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼簡支梁式單排架，排架下部基礎采用梁板式條形基礎，基礎底部墊層為0.5m厚的砂礫石及厚0.1m的C10素混凝土。

4 槽身的穩(wěn)定驗算

4.1 槽身的計算簡圖及荷載計算

渡槽位于大風區(qū)，輕型殼體槽身可能被風荷掀下來。因此需驗算槽身的整體穩(wěn)定性。渡槽最不利荷載的情況為槽中無水，槽身豎向荷載僅有N1，水平向荷載為風荷P1.該設計渡槽槽身自重為

N1=1593/2=796.4 kN

風壓力P1計算公式為：W=KKZW0

式中：K——風載體型系數(shù)，與建筑物體型、尺度等有關，槽身為矩形斷面時，取k=1.2～1.3，空槽無水時取小值，滿槽水時取最大值；

KZ——風壓高度變化系數(shù)，本設計取;

W0——基本風壓(kN/米2)。當?shù)貨]有風速資料,參照《工業(yè)與民用建筑結構荷載規(guī)范》中全國基本風壓分布圖上的等壓線進行插值酌定W0=3.5;

經(jīng)計算W=KKZW0=1.2×1.45×0.35 =0.609KN/m2，該數(shù)據(jù)滿足荷載數(shù)值要求。

4.2 抗滑穩(wěn)定驗算

穩(wěn)定分析作用于渡槽上的力盡管其類型、方向、大小各不相同，但根據(jù)它們在槽身沿支承結構頂端發(fā)生水平滑動時所起的作用看，可以歸納為兩大類：一類是促使槽身滑動的力，如水平方向風壓力、動水壓力等，稱為滑動力；另一類是維持槽身穩(wěn)定、阻止渡槽滑動的力，主要是在鉛直方向荷載作用下，槽身底部與支承結構頂端之間產(chǎn)生的摩擦力，稱之為阻滑力。槽身是否會產(chǎn)生沿其支承結構頂端發(fā)生水平滑動，主要取決于這兩種力的比值，這個比值反映了渡槽的水平抗滑穩(wěn)定性，稱之為穩(wěn)定安全系數(shù)kc

式中：ΣNi——所有鉛直方向作用力的總和（kN）；

ΣPi——所有水平方向作用力的總和（kN），本設計中等于半跨槽身風壓總和，

f——摩擦系數(shù)，與兩接觸面物體的材料性質及它們的表面粗糙程度有關，支座與支承都為鋼板時取鋼對鋼的摩擦系數(shù)f= 0.55；

KC＞[KC]≈1.2～1.3，所以滿足抗滑穩(wěn)定性要求

4.3 抗傾覆穩(wěn)定驗算

槽身受風壓作用可能發(fā)生傾覆，抗傾覆穩(wěn)定性驗算的目的是驗算槽身空水受壓作用下是否會繞背風面支承點發(fā)生傾覆，抗傾覆穩(wěn)定的不利條件與抗滑穩(wěn)定的不利條件是一致的，所以抗傾覆穩(wěn)定性驗算的計算條件及荷載組合與抗滑穩(wěn)定性驗算相同。抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算：

式中：la——鉛直力到槽身支承點的距離；

ΣN——基底面承受的鉛直力總和；p——水平力的總和；

h1——水平力到槽身支承點的距離。

在此h1=1.92mla=2.38m

KC＞[KC]≈1.2～1.3

所以滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求.

5 結論

渡槽是灌溉單位輸送渠道水流跨溝壑地區(qū)的重要輸水形式，要保證其安全輸水，設計中對渡槽支撐結構、中心線及槽身起止點的選擇雖然重要，但渡槽縱斷面、橫斷面和支撐設計這些結構因素確至關重要，本文在千豐渠南干渡槽這些設計要素確定后，通過對渡槽荷載、抗滑穩(wěn)定以及抗傾覆穩(wěn)定進行簡單驗算，來驗證槽身抗傾覆的穩(wěn)定性，希望能為該類渡槽設計方案提供借鑒與參考。陜西水利

（責任編輯：唐紅云）

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