霸王河渡槽替代工程設(shè)計(jì)方案探討

劉子翔，田 欣

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710001）

1 工程概況

石頭河水庫(kù)灌區(qū)位于關(guān)中西部,灌溉寶雞市岐山、眉縣兩縣11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),總?cè)丝?2.44萬(wàn)人,控制灌溉面積37萬(wàn)畝,有效灌溉面積29萬(wàn)畝。霸王河渡槽位于灌區(qū)東干渠第二級(jí)渠道,是東干渠上的重點(diǎn)跨河建筑物之一和重要咽喉要道。霸王河渡槽工程位于陜西省眉縣境內(nèi),渡槽全長(zhǎng)1566.32 m,高18 m,始建于1981年,1986年建成通水。渡槽為預(yù)制安裝的等截面懸鏈線混凝土雙曲拱,矩形槽箱結(jié)構(gòu),由35跨和兩邊各有一個(gè)半跨組成,最大凈跨39.7 m,槽身凈寬2.8 m,凈深2.2 m,輸水設(shè)計(jì)流量8.0 m3/s,加大流量10.0 m3/s,比降1/1000,其控制著灌區(qū)下游16萬(wàn)畝的農(nóng)田灌溉面積。

2 問(wèn)題的提出

霸王河渡槽投入運(yùn)行37年來(lái),老化破損較普遍,槽壁、底板沖蝕破壞,出現(xiàn)大量蜂窩、麻面、伸縮縫老化,局部滲漏嚴(yán)重；內(nèi)壁局部出現(xiàn)表面明顯裂縫；混凝土碳化、局部風(fēng)蝕較嚴(yán)重；保護(hù)層脫落,鋼筋銹蝕、糙率增大,達(dá)不到設(shè)計(jì)過(guò)流能力。2020年6月對(duì)霸王河渡槽進(jìn)行安全鑒定工作,《安全鑒定評(píng)價(jià)報(bào)告》對(duì)霸王河渡槽現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)質(zhì)量評(píng)定及工程復(fù)核計(jì)算分級(jí)評(píng)價(jià)均為C級(jí),霸王河渡槽工程安全類(lèi)別為“四類(lèi)渡槽”。渡槽目前承擔(dān)著西安、咸陽(yáng)、楊凌等大中城市供水和灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的雙重任務(wù),且是咸陽(yáng)、楊凌供水的唯一地表水源,供水保證率更是要求高達(dá)95%以上,其重要性尤為突出。由于渡槽常年行水運(yùn)行,無(wú)法進(jìn)行檢修維護(hù),一旦出險(xiǎn),整個(gè)供水工程將癱瘓,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水中斷,因此進(jìn)行霸王河渡槽替代工程的設(shè)計(jì)研究是十分必要的。根據(jù)現(xiàn)狀渡槽實(shí)際情況并結(jié)合地形地質(zhì)條件,新建替代工程采用渡槽方案和倒虹方案進(jìn)行比選。

3 渡槽方案比選

新建渡槽各比選方案軸線相同,位于原渡槽北側(cè),與原渡槽軸線相距50 m?？傞L(zhǎng)度1579.246 m,在起末點(diǎn)分別布置進(jìn)、出水閘,與原渡槽上下游連接段進(jìn)行連接。渡槽上游連接段長(zhǎng)10.532 m（其中進(jìn)水閘長(zhǎng)4 m）,槽身段長(zhǎng)1558.182 m,渡槽段比降為1/1000。下游連接段長(zhǎng)10.532 m（其中出水閘長(zhǎng)4 m）。渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)型式從經(jīng)濟(jì)、美觀、施工方便等方面考慮,本次進(jìn)行了重力墩預(yù)應(yīng)力槽箱、重力墩預(yù)應(yīng)力T梁、拱式方案的比較。

3.1 重力墩預(yù)應(yīng)力槽箱簡(jiǎn)支方案

（1）槽箱布置

渡槽上部型式采用C50預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁式槽身,槽箱斷面為箱型結(jié)構(gòu),斷面尺寸3.0 m×2.3 m（寬×高）,槽箱底板、側(cè)墻、頂板厚度分別為0.4 m、0.3 m、0.25 m,底部貼角0.3 m×0.15 m,頂部貼角0.5 m×0.2 m。槽箱橫斷面見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)應(yīng)力槽箱橫斷面

（2）重力墩布置

渡槽跨度較大,下部支撐結(jié)構(gòu)采用鋼筋砼實(shí)體重力墩型式,重力墩高度9.9 m～23.9 m,采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)型式,經(jīng)計(jì)算,1#～40#（8#、16#、24#、32#除外）重力墩頂部斷面尺寸為2.24 m×4.14 m（縱向×橫向）,側(cè)面均以40∶1的坡度向下放坡。墩頂部平臺(tái)厚0.8 m,平面尺寸6.74 m×2.64 m（橫向×縱向）。每個(gè)墩頂平臺(tái)上放置4塊橡膠支座,平臺(tái)兩側(cè)布置防震擋塊。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,多跨簡(jiǎn)支式渡槽每隔7跨～10跨應(yīng)設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)墩,本次設(shè)計(jì)8#、16#、24#、32#為加強(qiáng)墩,斷面尺寸為頂部2.24 m×4.14 m（縱向×橫向）,側(cè)面以10∶1的坡度向下放坡。

重力墩下基礎(chǔ)采用剛性承臺(tái),尺寸為9.6 m×6.0 m×2.0 m（橫向×縱向×厚）,加強(qiáng)墩承臺(tái)尺寸9.6 m×7.0 m×2.0 m,基礎(chǔ)下布設(shè)鋼筋砼灌注樁,樁徑1.2 m,樁長(zhǎng)12.0 m,間排距3.6 m。

3.2 重力墩預(yù)應(yīng)力T梁簡(jiǎn)支方案

重力墩布置間距、型式同重力墩預(yù)應(yīng)力槽箱簡(jiǎn)支方案,重力墩上布置預(yù)應(yīng)力T梁,T梁上放置普通鋼筋砼槽箱。

（1）槽箱布置

槽箱采用C30現(xiàn)澆鋼筋砼箱型結(jié)構(gòu),直接放置于T梁上,槽箱本身結(jié)構(gòu)不受力,僅作為輸水通道。槽箱分段長(zhǎng)度10 m,斷面尺寸3.0 m×2.3 m（寬×高）,底板厚度0.3m,側(cè)墻及頂板厚度0.25 m。

（2）T梁布置

T梁采用C50預(yù)應(yīng)力鋼筋砼結(jié)構(gòu),支撐于重力墩上,作為縱向受力結(jié)構(gòu),T梁跨度42 m,高度2.5 m,肋板厚0.2 m,翼緣寬度2.25 m,厚0.16 m,肋板下部加厚部位厚度為0.6 m,高度0.35 m。T梁斷面見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)應(yīng)力T梁斷面圖

（3）重力墩布置

重力墩高度7.4 m～21.4 m,采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)型式,重力墩和下部基礎(chǔ)體型尺寸同上述重力墩預(yù)應(yīng)力槽箱簡(jiǎn)支方案。

3.3 拱式方案

拱式方案下部支撐結(jié)構(gòu)拱圈采用肋拱,跨度布置為45.5 m,拱圈下部支撐墩采用實(shí)心重力墩型式,拱圈上布置排架支撐槽箱,排架間距6.5 m,槽箱采用普通簡(jiǎn)支梁式槽箱,上下游副跨段布置型式同重力墩簡(jiǎn)支方案。

（1）槽箱布置

新建拱式渡槽上部型式采用簡(jiǎn)支梁式槽身,每拱跨上布置7小跨,每跨6.5 m,對(duì)稱布置,槽箱采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼箱型結(jié)構(gòu),斷面尺寸3.0 m×2.3 m（寬×高）,底板厚度0.3 m,側(cè)墻及頂板厚度0.25 m,底板、頂板與側(cè)墻連接處加貼角,尺寸0.2 m×0.2 m。上下游各3 跨采用C50 預(yù)應(yīng)力鋼筋砼槽箱（斷面型式同重力墩預(yù)應(yīng)力槽箱方案）。拱圈上槽箱橫斷面見(jiàn)圖3。

圖3 拱圈上槽箱橫斷面

圖4 倒虹方案橫斷面圖（過(guò)灘地段）

（2）渡槽下部支承設(shè)計(jì)

渡槽下部支承結(jié)構(gòu)主跨支撐形式為排架式肋拱結(jié)構(gòu),副跨布置為重力墩簡(jiǎn)支型式。渡槽共布置36個(gè)支撐重力墩,其中拱墩中墩為30個(gè),邊墩為2個(gè),上下游副跨重力墩4個(gè)（型式同重力墩簡(jiǎn)支方案）。拱上排架間距6.5 m,對(duì)稱布置。

拱上排架高度2.86 m～9.13 m,采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)型式,排架采用兩根立柱中間每隔3 m用拉桿連接,立柱斷面尺寸為0.4 m×0.6 m,排架拉桿斷面尺寸為0.35 m×0.5 m。排架頂部平臺(tái)厚0.5 m,平面尺寸4.4 m×1.2 m（橫向×縱向）。每個(gè)排架頂部平臺(tái)上放置4塊橡膠支座,平臺(tái)兩側(cè)布置防震擋塊。

渡槽各方案綜合比較見(jiàn)表1。

表1 渡槽各方案比較表

從表1可以看出,各方案技術(shù)上均是可行的,各有優(yōu)缺點(diǎn)。（1）施工工藝：重力墩預(yù)應(yīng)力槽箱和預(yù)應(yīng)力T梁方案僅槽箱或T梁采用預(yù)應(yīng)力法施工,而拱式方案不但拱圈采用預(yù)應(yīng)力施工,上下游兩端槽身也采用預(yù)應(yīng)力法施工,拱圈對(duì)施工工藝要求非常嚴(yán)格,施工難度大,從施工工藝來(lái)說(shuō)重力墩簡(jiǎn)支方案施工相對(duì)簡(jiǎn)單,拱式方案工藝復(fù)雜,施工難度大。（2）基礎(chǔ)處理：重力墩簡(jiǎn)支方案對(duì)基礎(chǔ)要求較拱式方案低,基礎(chǔ)處理相對(duì)簡(jiǎn)單。（3）施工工期：重力墩簡(jiǎn)支方案施工工期短,較拱式方案節(jié)省工期。（4）美觀性：拱式方案相對(duì)較為美觀,和景區(qū)內(nèi)其它景點(diǎn)相協(xié)調(diào)。（5）工程投資：兩種重力墩簡(jiǎn)支方案較拱式方案分別多952.86萬(wàn)元、1663.88萬(wàn)元。

綜合分析比較,在重力墩方案和拱式方案中推薦采用重力墩方案。對(duì)重力墩方案進(jìn)一步比較得知,預(yù)應(yīng)力T梁方案較預(yù)應(yīng)力槽箱方案工程量更大,工期更長(zhǎng),工程投資多711.02萬(wàn)元,因此在重力墩渡槽型式比較中推薦重力墩預(yù)應(yīng)力槽箱簡(jiǎn)支方案。

4 倒虹方案

（1）工程布置

新建倒虹設(shè)計(jì)流量8 m3/s,加大流量10 m3/s,全長(zhǎng)1600.188 m。采用2根DN2200 地埋式預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管和鋼塑復(fù)合管（主河槽段）,其中預(yù)應(yīng)力鋼筒砼管道長(zhǎng)度1415.40 m,鋼塑復(fù)合管長(zhǎng)度120 m。管中心間距為3.6 m,平面布置呈西北向東南走向,由進(jìn)口段、管道段、出口段、鎮(zhèn)墩、閥井等部分組成。進(jìn)出口設(shè)置平面彎道,中間段呈直線布置。

營(yíng)頭隧洞出口連接處設(shè)置倒虹進(jìn)口段,倒虹軸線與原渠道軸線相交于樁號(hào)DH0+000.000,進(jìn)口段由4.233 m長(zhǎng)原渠道拆除恢復(fù)段、6.032 m長(zhǎng)引渠段、5.5 m長(zhǎng)閘室段、10 m長(zhǎng)陡坡漸變段和6 m長(zhǎng)進(jìn)水池組成,池后接管身段。管身基本順現(xiàn)狀地面鋪設(shè),平坦段最小埋深不小于2 m,根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果,主河槽段控制埋深不小于5.2 m。進(jìn)水池后,倒虹向下斜穿西岸灘地,至主河槽處稍向下穿越主河槽、其后向上斜穿東岸灘地至小溝道,過(guò)溝后向上斜穿東岸灘地與出水池銜接。出水池長(zhǎng)6 m,后接10 m長(zhǎng)陡坡漸變段、4 m長(zhǎng)閘室段和6.532 m長(zhǎng)出口引渠段,4.986 m長(zhǎng)原渠道拆除恢復(fù)段,倒虹軸線與原渠道軸線相交于樁號(hào)DH1+590.969,后與法牛塬隧洞進(jìn)口銜接。

（2）管身橫斷面設(shè)計(jì)

過(guò)灘地段管身基礎(chǔ)采用0.5 m厚碎石墊層,0.25 m厚粗砂墊層；主河槽段鋼塑復(fù)合管采用外包砼型式,基礎(chǔ)采用0.6 m厚碎石墊層,0.15 m厚C20砼墊層。開(kāi)挖深度大于6 m時(shí),每6 m設(shè)置戧臺(tái),左側(cè)戧臺(tái)寬度2.0 m,右側(cè)戧臺(tái)寬度4.0 m。管道周?chē)肮茼斠陨?.0 m范圍內(nèi)回填土夾石要求人工夯實(shí),其余回填采用機(jī)械回填壓實(shí)。

5 方案比較

對(duì)東干渠過(guò)霸王河的渡槽跨越方案和倒虹穿越方案進(jìn)行工程布置、地質(zhì)條件及基礎(chǔ)處理、施工條件及工期、工程占地、工程投資等方面綜合比較分析,見(jiàn)表2。

表2 渡槽、倒虹方案綜合比較表

經(jīng)綜合比較分析,兩方案均不存在重大制約因素,從工程布置、施工條件看,兩方案各有優(yōu)缺點(diǎn),相比而言,倒虹方案采用雙管布置,具有輸水靈活性高,單管出事后,另一根管道可以滿足事故工況下過(guò)70%流量的要求,投資較低、工期較短、永久占地較小的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是施工期需要修建兩期導(dǎo)流圍堰,施工導(dǎo)流工程量大、費(fèi)用高,倒虹管埋于地下,事故隱患點(diǎn)不易發(fā)現(xiàn),事故檢修時(shí),需要采用臨時(shí)抽水泵站抽排后,方能檢修,相對(duì)運(yùn)行管理不便；渡槽方案優(yōu)點(diǎn)是施工導(dǎo)流費(fèi)用小、檢修時(shí)不需要配置臨時(shí)泵站抽排,主體建筑物位于地面以上,相對(duì)運(yùn)行、檢修、管理方便,缺點(diǎn)是事故檢修時(shí)需要全線停水,與東干渠長(zhǎng)年不能停水的要求相違背,永久占地較大,且投資較高?；趦煞桨敢陨蟽?yōu)缺點(diǎn)分析,尤其是從永久占地方面比較,倒虹方案僅進(jìn)出口、鎮(zhèn)墩、閥井局部有永久占地,而渡槽沿線呈條帶狀永久占地面積較大,倒虹方案少占永久占地4.63畝,《中華人民共和國(guó)土地管理法》中規(guī)定,國(guó)家保護(hù)耕地,嚴(yán)格控制耕地轉(zhuǎn)為非耕地,本工程應(yīng)盡可能少占耕地,減小征地難度,綜合從工程投資、施工工期、工程占地等方面分析比較,推薦采用倒虹方案。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以霸王河渡槽替代工程為研究對(duì)象,緊密結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉和城市供水的工程任務(wù),分別研究重力墩預(yù)應(yīng)力槽箱簡(jiǎn)支方案、重力墩預(yù)應(yīng)力T梁簡(jiǎn)支方案、拱式方案以及倒虹方案,綜合考慮工程任務(wù)、施工工藝、施工難度、施工工期及工程投資等方面,充分對(duì)比各方案的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合工程的實(shí)際情況,最終決定采用倒虹方案。