寶雞峽漆水河倒虹改建工程渡槽設計探析

靳榮輝

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西咸陽712000）

寶雞峽漆水河倒虹改建工程渡槽設計探析

靳榮輝

（陜西省寶雞峽引渭灌溉管理局，陜西咸陽712000）

漆水河倒虹是寶雞峽北干渠輸水咽喉，投運60年來，漏水、管底淤堵頻繁，影響渠道正常安全運行，問題日趨嚴重，需要進行改建。借鑒國內(nèi)近年來實踐經(jīng)驗，結(jié)合工程運行現(xiàn)狀，提出將原深埋倒虹改建為架空預應力薄殼梁式渡槽，以克服原有設計方式缺陷。章對渡槽設計型式、上部槽型結(jié)構(gòu)、跨度、施工方案等做了定性與定量分析，采用受力明確的簡支梁式單體渡槽、下部支承結(jié)構(gòu)選用實體重力墩、渡槽基礎采用灌注樁方法施工，以優(yōu)化提升渡槽工程設計效能。

寶雞峽；漆水河倒虹改建；渡槽設計；方案比選

1 概況

漆水河倒虹是寶雞峽灌區(qū)塬下北干渠上大型輸水建筑物，為鋼筋砼雙管結(jié)構(gòu)，全長382 m，管內(nèi)徑2.4 m，設計流量22.0 m3/s，最大工作水頭34.27 m，灌溉楊凌、武功、興平等8縣（市、區(qū)）農(nóng)田80萬畝，累計向下游灌區(qū)輸水80多億m3。該工程1958年建成，初建總體布置、排空設施設置均有先天不足，投運以來進口段雍水、出口段淤積問題突出，管道鋼內(nèi)襯大面積深度銹蝕，漏水、管底於堵頻繁，安全問題日趨嚴重。據(jù)此，陜西省政府、水利廳決定對該工程進行改建，將原深埋倒虹改建為架空預應力薄殼梁式渡槽，共13跨，總長390 m。

2 渡槽設計方案比選

本次渡槽方案比選范圍為420 m渡槽段主體工程比選。

2.1 渡槽型式

常見的渡槽構(gòu)型式按支承結(jié)構(gòu)分有梁式、拱式、桁架式、承重結(jié)構(gòu)與輸水結(jié)構(gòu)分離的組合梁渡槽等。

漆水河河谷地面高程446.00～455.50 m，槽底高程距地面高差15～26 m左右，渡槽凈空高度較大，可修建大跨度梁式、拱式及桁架式渡槽。但漆水河為U形河谷，河容寬180～300 m，發(fā)育有一、二級階地及河漫灘，分布的主要地層為第四系松散堆積土，若采用拱式連槽，必為連續(xù)拱式結(jié)構(gòu)，由于拱圈水平堆力的存在，對墩臺尤其是邊墩的要求較高，工程區(qū)承載力較大的砂礫石地層相對埋深較大，對墩臺的處理和設計難度也較大，若某一拱角因水平推力破壞則相鄰跨也會隨之破壞；且拱式渡槽的主拱圈為超靜定結(jié)構(gòu)，在溫度荷載作用下拱圈易產(chǎn)生溫度裂縫。

桁架式渡槽雖縱向可為靜定結(jié)構(gòu)，但結(jié)構(gòu)本身為超靜定結(jié)構(gòu)，桁架各桿件間會產(chǎn)生次內(nèi)力，與拱式渡槽類似承重結(jié)構(gòu)宜產(chǎn)生較大溫度應力，另外，這類超靜定結(jié)構(gòu)某一部位產(chǎn)生位移或局部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題可能導致總體結(jié)構(gòu)承載失效，存在較大安全隱患；且桁架式渡槽施工較復雜，施工質(zhì)量不易保證。

與拱式渡槽、桁架式渡槽相比，簡支梁式渡槽受力明確、施工方便，結(jié)構(gòu)變形基本不受約束，不產(chǎn)生溫度應力。隨著新設計理念、新材料及新施工方式的運用，近年來越來越多的輸水渡槽采用簡支梁結(jié)構(gòu)型式。結(jié)合本工程場區(qū)地形、地質(zhì)條件，結(jié)構(gòu)型式選擇了受力明確的簡支梁式渡槽。

2.2 槽數(shù)選擇

渡槽輸水建筑物設計流量25.3 m3/s、加大流量為29.0 m3/s。根據(jù)水力計算，進出口渠設計水深和加大水深分別為2.16 m和2.33 m，且水源供應較為緊張，單槽水力條件相對多槽水力條件較好。從工程投資設計來看，本工程槽寬5 m以內(nèi)，規(guī)模不是很大，多槽投資大于單槽投資。此外，多槽施工各槽身之間互相影響加大，加大施工難度。本灌區(qū)渡槽的檢修根據(jù)用水調(diào)度情況可在灌溉間歇停水檢修，因此綜合比較，采用單槽輸水。

2.3 上部結(jié)構(gòu)型式選擇

槽身過水斷面最常用的為U形及矩形兩種，U形斷面外觀優(yōu)美、過水條件好，迎水面基本無應力集中，U形渡槽據(jù)斷面特點可做成薄壁結(jié)構(gòu)，大跨度的U型渡槽自重較輕。但U形渡槽施工略微復雜，由于壁厚較薄，混凝土澆筑時需精細化施工。

矩形斷面渡槽結(jié)構(gòu)簡單，易于施工，但矩形斷面底部角點處易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，與U形斷面相比，短形斷面壁厚不宜過薄，相同跨度矩形渡槽較U型渡槽重。

兩種槽形結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣，因此選取U形、矩形兩種斷面形式結(jié)合槽壁厚度、下部結(jié)構(gòu)和施工方案進行綜合比較。

U形斷面水力計算成果見表1。

表1 U形渡槽水力計算成果表

2.4 下部支承結(jié)構(gòu)型式選擇

2.4.1 下部支承結(jié)構(gòu)選型

在渡槽設計中，支承結(jié)構(gòu)的形式和布置對整個設計方案有較大影響，設計時應合理選擇，使上、下結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致，在保證工程安全的前提下，工程量及造價較小。梁式渡槽常見的支承結(jié)構(gòu)形式有重力槽墩、鋼筋混凝土槽架、混合式墩架等多種形式。排架一般適用于跨度相對較小。且上部結(jié)構(gòu)較輕的結(jié)構(gòu)。重力式槽墩的穩(wěn)定性好，能較好地把上部結(jié)構(gòu)的荷載均勻傳遞到下部承臺和樁上，同時下部穩(wěn)定性高，利于提高上部槽身的整體穩(wěn)定性。

本次進行30 m、40 m跨度U形和矩形槽比較，上部槽身單跨荷載達到1000噸，且支撐高度較高達到27 m，不宜選用排架式。正常運行期上部槽身重量對下部支承穩(wěn)定性要求較高，因此，從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全性考慮采用重力式槽墩。

重力式槽墩包括重力實體墩和重力空心墩。根據(jù)工程情況對不同槽型及不同跨度4種上部槽身結(jié)構(gòu)方案分別進行了空心重力墩和實心重力墩共8種方案比較，重力實體墩和重力空心墩方案結(jié)構(gòu)布置如下：

（1）重力實體墩方案

重力實體墩方案包括墩帽、托盤、承臺及樁基礎四部分。

重力實體墩墩帽帽平面形式采用矩形布置，頂帽邊緣距支撐墊石邊緣在順槽向取為0.5 m，墩帽順流向長度為3.04 m，垂直水流方向?qū)挾葹?.6 m，高度為0.8 m，托盤頂為矩形斷面，邊緣比頂帽內(nèi)收0.1 m，托盤下邊緣接重力墩墩身，寬度方向端部為半圓形，托盤高度為1.5 m，墩帽采用C30鋼筋混凝土。

墩身頂部平面尺寸同托盤底部平面尺寸一致，墩高為6～26 m，墩身四側(cè)從墩頂平面按照40∶1（豎：橫）坡比向墩底平面擴大，墩底平面尺寸由墩頂平面尺寸、墩高及坡比確定，墩身采用C30鋼筋混凝土。

下部樁基采用混凝土灌注樁，采用2排對稱形布樁，每排樁數(shù)為3根，樁長為21～29m，承臺厚度為2.0m，灌注樁采用C25鋼筋混凝土灌注樁。

（2）重力空心墩

薄壁墩的墩頂平面尺寸、墩高及墩底平面尺寸與實體墩布置原則一致。為改善托盤與墩頂連接處及墩底與基礎連接處應力集中現(xiàn)象，在墩頂平面以下及墩底平面以上均設置1 m高的實體過渡段，同時設置0.5 m×0.3 m的牛腿。為滿足墩身結(jié)構(gòu)強度、施工構(gòu)造及墩身穩(wěn)定要求，墩頂實體過渡下部墩壁厚度取0.4 m，墩底實體過渡段上部墩壁厚度取0.65 m。

實體墩充分利用材料的抗壓性能，借自身截面尺寸和重量承受豎直方向和水平方向外力，具有堅固耐久施工簡易的優(yōu)點。

空心墩較實體墩可節(jié)省混凝土30%～50%左右，空心墩鋼筋用量約為實體墩的2倍，墩帽與墩身連接處、墩身與承臺連接處容易引起應力集中現(xiàn)象，同時空心墩墩內(nèi)通風不良、混凝土導熱性能低，當墩身周圍氣溫發(fā)生驟變時，墩壁內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差，容易引起墩壁裂縫，同時空心重力墩施工難度較大。

由表2看出，各方案實體墩投資比空心墩投資增加30～66萬元，占下部支承結(jié)構(gòu)總投資2.8%～7.2%，投資增加不大。

表2 各方案下部結(jié)構(gòu)主體投資表

表3 基礎埋置深度表

綜上所述，從施工難度、結(jié)構(gòu)長期安全性及投資綜合比較，下部支承結(jié)構(gòu)選用實體重力墩。

2.4.2 基礎類型選擇

基礎一般可以采用擴大基礎和灌注樁樁基。

漆水河梁式渡槽段下伏基巖為第四系的礫石層等，其上是黃土層，表層為礫石層及壤土層，重探擊數(shù)一般8.3～24擊，地基分布不均勻，且承載力較高礫石層深度達10m以上，采用擴大基礎為控制基礎沉降，處理難度和投資均較大，因此從工程安全角度考慮，渡槽基礎不宜采用擴大基礎，采用灌注樁施工方法常規(guī)，沉降變形小，對上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有利。

2.4.3 基礎埋置深度確定

基礎埋置深度按沖刷計算結(jié)算確定詳見表3。

考慮水流沖刷影響，承臺頂面一般置于地面以下2 m。

3 結(jié)語

寶雞峽漆水河倒虹改建工程根據(jù)國內(nèi)近年水利工程渡槽設計經(jīng)驗，精益求精，多方分析比較，擇優(yōu)確定渡槽具體設計方案，為優(yōu)質(zhì)高效完成項目建設任務奠定了重要基礎。目前，該工程正在加緊組織實施，應按照設計方案嚴格有序規(guī)范施工，切實保證質(zhì)量進度，以早日發(fā)揮工程效能造福灌區(qū)群眾。

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1673-9000（2017）04-0079-03

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靳榮輝（1975-），男，漢族，陜西興平人，大學文化，工程師，主要從事水利工程灌溉管理工作。