向家壩灌區(qū)北總干渠一期高大渡槽選型及跨度論證研究

鄭小明，馬連軍，杜 鵬，王文斌，楊寶全

(1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

1 概述

向家壩灌區(qū)北總干渠工程是向家壩水電站配套的以農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水為任務(wù)的大型灌區(qū)工程，設(shè)計(jì)灌面329.40萬(wàn)畝，供水人口380.19萬(wàn)。其中北總干渠一期工程灌面198.57萬(wàn)畝，供水人口254.59萬(wàn)。北總干渠全長(zhǎng)約57km，渠首設(shè)計(jì)流量98m/s3，渠末設(shè)計(jì)流量30m/s3，渠線所經(jīng)之處地形條件復(fù)雜，深溝谷地橫貫其間，需修建高大跨渡槽11座。由于地形起伏多變，常規(guī)渡槽難以滿足工程建設(shè)需要，給該工程建設(shè)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，故高大渡槽引用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)，其技術(shù)難度在四川水利工程建設(shè)史上前所未有，乃至全國(guó)水利工程史上也是少見(jiàn)，因此開(kāi)展高大跨渡槽的選型及選跨研究是至關(guān)重要的。

2 渡槽選型的主要依據(jù)

2.1 渡槽選型原則

渡槽沿線地形為起伏多變的溶蝕山區(qū)地貌，有近80m深的深切河谷、連續(xù)多山低地，有已建水庫(kù)及省、縣級(jí)公路，地質(zhì)條件復(fù)雜。經(jīng)研究渡槽選型按以下原則：

(1)深切V形河谷、兩岸基巖裸露且完好堅(jiān)硬、河谷狹窄，輸水流量適中時(shí)，布置單拱渡槽；當(dāng)河谷寬闊時(shí)，輸水流量較大時(shí)布置大跨度預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支梁式渡槽[1](以下稱大跨簡(jiǎn)支渡槽)。

(2)開(kāi)闊的U形河床、谷地或跨已建水庫(kù)，渡槽架空高度較大時(shí)，根據(jù)槽墩布置條件及流量大小，選擇連拱渡槽或大跨簡(jiǎn)支渡槽。

(3)深切寬闊的谷地或有通航要求的河道，難以布置連拱或大跨簡(jiǎn)支渡槽的，且流量適中時(shí)則研究采用新型的剛構(gòu)渡槽[2，3]。

(4)流量較大的渡槽，即使架空不高，為減少槽墩數(shù)量有利行洪，也按大跨簡(jiǎn)支渡槽布置。

(5)跨度和高度均不大的緩坡溝谷或低洼地帶，且流量不大時(shí)，則按常規(guī)渡槽型式布置。

2.2 渡槽選型選擇

根據(jù)渡槽選型原則，對(duì)北總干渠渡槽地形、地質(zhì)條件分類，渡槽型式按標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，其主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

北總干渠渡槽型式歸納為兩類：第一類為大跨簡(jiǎn)支，其特點(diǎn)是流量大、架空高、單跨大、槽殼剛度大。該類渡槽有6座，主跨42m(計(jì)算跨40m)；中等流量大跨簡(jiǎn)支渡槽有2座，主跨52m(計(jì)算跨50m)。第二類為3座連拱式渡槽，其中單拱跨最大的是馬爾巖渡槽，全長(zhǎng)為516m，由3跨108m長(zhǎng)箱梁拱組成，最大架空高57.3m。

表1 北總干渠渡槽主要特征

3 渡槽選型及選跨

3.1 結(jié)構(gòu)受力體系

渡槽槽殼常用型式有梁式、拱式、桁架拱式等。早期的大流量渡槽多采用單箱多縱梁或桁架拱型式,槽殼為寬淺式，單跨長(zhǎng)10～12m。隨著大跨度整體受力預(yù)應(yīng)力箱梁技術(shù)的成功應(yīng)用,水利工程渡槽設(shè)計(jì)也逐漸借鑒了該結(jié)構(gòu)的受力特性。

北總干渠上11座渡槽根據(jù)選型原則初擬渡槽型式可歸為兩類：大跨簡(jiǎn)支渡槽和拱式渡槽，下文針對(duì)這兩種型式的代表性渡槽進(jìn)行綜合比選。

3.2 槽殼斷面型式選擇

槽殼斷面常用U形、矩形和箱形三種斷面，從流態(tài)及過(guò)流能力看，U形斷面遠(yuǎn)優(yōu)于矩形；從受力條件看，U形槽殼為三維殼體受力，底梁縱向受彎；而矩形和箱形斷面是直墻縱梁受力，直墻縱梁往往較厚，在同級(jí)荷載下，U形槽殼體型輕薄，降低槽殼自重；從槽殼工程量看，U形槽殼工程量最小，箱形的工程量最大；借鑒已建工程經(jīng)驗(yàn)，如南水北調(diào)中線沙河渡槽[4]單槽流量95m3/s，及東深供水工程[5]的三大渡槽單槽流量為90m3/s，槽殼均采用U形斷面；以上已建大流量渡槽，槽殼均采用U形預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，有效克服了薄壁結(jié)構(gòu)的受力、穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，本工程的大跨簡(jiǎn)支渡槽槽殼型式選擇U形。

拱式渡槽結(jié)構(gòu)受力機(jī)制是拱圈承擔(dān)拱圈自身及拱圈以上全部荷載，上部槽殼自重越小越好，因此本工程的拱式渡槽槽殼型式也選擇U形。

3.3 槽殼的槽數(shù)選擇

本工程渡槽流量在95～30m3/s，從流量級(jí)別上看，槽數(shù)可設(shè)2槽或單槽。其中2槽又分單線2槽和雙線單槽，從工程量上看，單線2槽橫向?qū)挾嚷孕∮陔p線單槽，下部支撐結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾纫残∮陔p線單槽，單線2槽工程量較雙線單槽的??；在同流量條件下，單線2槽槽殼的橫向?qū)挾却笥趩尉€單槽，單線單槽的槽高也只略高于單線2槽，因此單線單槽工程量較單線2槽的??；同時(shí)單線單槽的下部支撐結(jié)構(gòu)工程量也小于單線2槽；參考已建工程經(jīng)驗(yàn)，如前述的南水北調(diào)中線沙河渡槽和東深供水工程，本工程大跨簡(jiǎn)支和拱式渡槽槽數(shù)均選擇單槽。

3.4 渡槽跨度與型式比選論證

除清灘和瓦房頭2座渡槽受鐵路及天然氣管道交叉限制選用拱式渡槽外，其余渡槽選型可分為3類：第一類是適宜布置大流量(95～92m3/s)的大跨簡(jiǎn)支和拱式渡槽，選會(huì)詩(shī)溝渡槽為代表比選論證；第二類是適宜布置中等流量(32.5m3/s)的大跨簡(jiǎn)支和拱式渡槽，選溫沱渡槽為代表比選論證；第三類是適宜布置最小流量(30m3/s)的大跨簡(jiǎn)支和拱式渡槽，對(duì)馬爾巖渡槽進(jìn)行比選論證。

3.4.1 會(huì)詩(shī)溝渡槽跨度及型式比選

3.4.1.1 簡(jiǎn)支渡槽跨度比選

(1)渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)比選

參考已建工程經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)支渡槽的槽殼跨度假定為40m，單槽總荷載約為2600t，荷載等級(jí)很大，下部支撐結(jié)構(gòu)可選用空心墩和雙排架墩兩種型式。

空心墩:最高墩高70m，采用圓端形變截面型式，墩壁內(nèi)外坡比為70∶1和30∶1，墩頂壁厚為1m，墩底順槽向?qū)挾葹?.27m，橫槽向長(zhǎng)度為11.6m。蓋梁與墩壁采用漸變方式連接，蓋梁高2m；順槽向墩頂蓋梁寬為6.6m，順槽向蓋梁底空心墩頂寬為5m；空心墩混凝土為C45。

表2 各跨度渡槽主要工程量及投資

雙排排架墩：墩高70m，蓋梁高2m，墩頂順槽向?qū)?.6m。排架墩上部20m高范圍，墩柱直徑1.5m，中部20m高范圍，墩柱直徑2.0m，下部28m高范圍，墩柱直徑2.5m；雙排排架墩混凝土為C45。

通過(guò)對(duì)空心墩方案和雙排架墩方案渡槽的工程量對(duì)比，空心墩方案的工程量最??；同時(shí)空心墩支撐型式的整體穩(wěn)定性優(yōu)于雙排架墩柱，因此大跨簡(jiǎn)支渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)選空心墩型式。

(2)槽殼跨度比選

借鑒已建大型渡槽的工程經(jīng)驗(yàn)，大流量簡(jiǎn)支渡槽的單跨長(zhǎng)可修建30～45m長(zhǎng)，因此會(huì)詩(shī)溝渡槽初擬大跨簡(jiǎn)支的跨度為35、40、45m三種跨度(計(jì)算跨度)。

主跨35m長(zhǎng)方案渡槽共布置7跨，U形槽殼直徑8.3m，凈高7.5m，槽總高9.2m，壁厚0.35m，采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土。下部共布置8根空心墩，墩高為3、39、57、69、73m，65、39、3m。C25墩臺(tái)下布置3排3列直徑1.8的C35樁基，樁基深入弱風(fēng)化基巖下5m，單樁長(zhǎng)11～25m。

主跨40m長(zhǎng)方案渡槽共布置6跨40m，槽殼同主跨35m方案。下部共布置7根空心墩，墩高為3、42、58、71、73，50、3m。下部墩臺(tái)及樁基同主跨35m方案。

主跨45m長(zhǎng)方案渡槽共布置5跨45m和1跨14m U形槽，合計(jì)6跨，槽殼凈空等尺寸與上述兩方案相同，但槽壁厚0.40m，采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土。下部共布置7根空心墩，墩高為3、42、60、73、73，29、3m。下部墩臺(tái)及樁基同上述兩方案。

三種跨度方案渡槽考慮落地支架法和移動(dòng)模架[6]兩種施工方案，投資等綜合比選詳見(jiàn)表2。

表3 兩種型式渡槽主要工程量及投資

通過(guò)3種跨度大跨簡(jiǎn)支渡槽的相對(duì)投資比較，單跨長(zhǎng)40m方案較優(yōu)，因此會(huì)詩(shī)溝大跨簡(jiǎn)支渡槽單跨長(zhǎng)選擇40m。

3.4.1.2 渡槽型式比選

會(huì)詩(shī)溝渡槽已初擬大跨簡(jiǎn)支和拱式渡槽兩種型式，大跨簡(jiǎn)支渡槽已選定40m單跨方案，全長(zhǎng)251m，工程布置見(jiàn)前文40m跨長(zhǎng)方案；拱式渡槽采用箱梁拱型式，全長(zhǎng)267.5m，拱上槽殼跨長(zhǎng)11.6m，采用C25混凝土；拱上高單排架采用C30，低單排架采用C25；拱圈梁采用C45，拱圈共計(jì)2跨，單跨度長(zhǎng)108m，矢高27m，矢跨比1/4，拱圈頂部壁厚0.4m，拱圈體型采用懸鏈線方程。渡槽施工采用落地支架和移動(dòng)模架兩種施工方案，投資綜合比選詳見(jiàn)表3。

3.4.2 溫沱渡槽跨度及型式比選

3.4.2.1 簡(jiǎn)支渡槽跨度比選

根據(jù)會(huì)詩(shī)溝渡槽下部支撐型式的比選成果，大跨簡(jiǎn)支渡槽下部支撐結(jié)構(gòu)宜選擇空心墩，因此溫沱渡槽大跨簡(jiǎn)支渡槽下部支撐選用空心墩。

3.4.2.2 槽殼跨度比選

參考已建大跨渡槽的工程經(jīng)驗(yàn)，中小流量簡(jiǎn)支渡槽的單跨長(zhǎng)可修建40～50m長(zhǎng)，因此溫沱渡槽初擬大跨簡(jiǎn)支的跨度為40、45、50m三種跨度(計(jì)算跨度)。

通過(guò)兩種型式渡槽的相對(duì)投資比較，大跨預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支渡槽方案較優(yōu)，因此會(huì)詩(shī)溝渡槽選擇大跨預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支型式，渡槽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

(1)主跨40m長(zhǎng)方案渡槽共布置6跨，U形槽殼直徑5.4m，凈高5.1m，槽總高6.7m，壁厚0.35m，采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土。下部共布置7根空心墩，采用圓端形等截面型式，壁厚0.8m，墩高分別為11、36、58、63、50、33、11m。

圖1 會(huì)詩(shī)溝大跨預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支渡槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(單位：cm)

C25墩臺(tái)下布置2排3列直徑1.8的C35樁基，樁基深入弱風(fēng)化基巖下5m，單樁長(zhǎng)15～20m。

(2)主跨45m長(zhǎng)方案渡槽共布置5跨45m和1跨28m U形槽，槽殼結(jié)構(gòu)同主跨40m方案。下部共布置7根空心墩，墩高分別為11、35、62、63、44、28、3m。下部墩臺(tái)及樁基同跨徑40m方案。

(3)主跨50m長(zhǎng)方案渡槽共布置5跨，槽殼結(jié)構(gòu)同上述兩方案，但采用C55預(yù)應(yīng)力混凝土。下部共布置6根空心墩，墩高分別為11、37、64、56、35和3m。下部墩臺(tái)及樁基同上述兩方案。

三種跨度方案渡槽考慮落地支架法和移動(dòng)模架兩種施工方案，投資等綜合比選詳見(jiàn)表4。

通過(guò)3種跨度的大跨簡(jiǎn)支渡槽的相對(duì)投資比較，50m長(zhǎng)方案最優(yōu)，因此溫沱大跨簡(jiǎn)支渡槽單跨長(zhǎng)選擇50m。

3.4.2.3 渡槽型式比選

溫沱渡槽也已初擬大跨簡(jiǎn)支和拱式渡槽兩種型式，大跨簡(jiǎn)支渡槽已選定50m單跨方案，全長(zhǎng)277m，工程布置見(jiàn)前文的50m跨長(zhǎng)方案；拱式渡槽采用箱梁拱型式，全長(zhǎng)281m，拱上槽殼跨長(zhǎng)9.8m，采用C25混凝土；拱上高單排架采用C30混凝土，低單排架采用C25混凝土；拱圈梁采用C45混凝土，拱圈共計(jì)2跨，跨長(zhǎng)90m(根據(jù)地形)，矢高22.5m，矢跨比1/4，拱圈頂部壁厚0.3m，拱圈體型采用懸鏈線方程。渡槽施工采用落地支架和移動(dòng)模架兩種施工方案，投資綜合比選詳見(jiàn)表5。

通過(guò)兩種型式渡槽的相對(duì)投資比較，大跨預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支渡槽方案較優(yōu)，因此溫沱渡槽選擇大跨預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支型式，渡槽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

3.4.3 馬爾巖渡槽型式比選

馬爾巖渡槽也已初擬大跨簡(jiǎn)支和拱式渡槽兩種型式，根據(jù)溫沱渡槽的跨度及型式比選成果，及馬爾巖渡槽流量與溫沱渡槽相當(dāng)，因此大跨簡(jiǎn)支渡槽選定50m長(zhǎng)跨方案。

馬爾巖大跨簡(jiǎn)支渡槽全長(zhǎng)520m，渡槽為9跨50m和1跨32m長(zhǎng)U形槽。槽殼結(jié)構(gòu)同溫沱渡槽槽殼，但凈高4.9m，槽總高6.5m。下部共布置11根空心墩，采用圓端形等截面型，壁厚0.8m。C25墩臺(tái)下布置2排3列直徑1.8的C35樁基，樁基深入弱風(fēng)化基巖下5m，單樁長(zhǎng)15～20m。

表4 各跨度渡槽主要工程量及投資

圖2 溫沱大跨預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支渡槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(單位：cm)

序號(hào)項(xiàng)目單位大跨度預(yù)應(yīng)力渡槽連拱式渡槽備注一建筑工程方案一(跨長(zhǎng)40m)方案二(跨長(zhǎng)2×90m)土石方綜合項(xiàng)3479736189C20噴369387錨桿286307混凝土m334429804C55預(yù)應(yīng)力混凝土m32410C35樁基m323471435鋼筋t8801526預(yù)應(yīng)力鋼絞線t216二建筑投資萬(wàn)元13411314三施工方案槽殼拱圈及槽殼1滿堂支架萬(wàn)t0.920.83滿堂支架投資萬(wàn)元12421339工期月3749模架方案1(滿堂)2鋼管墩貝雷梁萬(wàn)t0.730.65鋼管墩貝雷投資萬(wàn)元10161045工期月3443模架方案2(貝雷梁)3鋼構(gòu)移動(dòng)模架萬(wàn)t0.34—移動(dòng)模架投資萬(wàn)元705—工期月27—模架方案3(移動(dòng)模架)4推薦模架方案移動(dòng)模架貝雷梁支架推薦方案投資萬(wàn)元7051045工期月2743模架方案3四相對(duì)投資萬(wàn)元20462360

馬爾巖拱式渡槽全長(zhǎng)515.83m，拱上槽殼跨長(zhǎng)11.6m，采用C25混凝土；拱上高單排架采用C30，低單排架采用C25；拱圈梁采用C45，拱圈共計(jì)3跨，單跨度長(zhǎng)108m，矢高27，矢跨比1/4，拱圈體型采用懸鏈線方程；拱圈跨中截面高為2.2m，拱腳截面高為3.16m，拱圈寬度為6.0m；拱圈梁頂板厚0.3m，邊板和中板厚0.4m，底板從跨中到拱腳根據(jù)體型漸變厚度，厚度為0.3～0.78m；拱圈下部支撐結(jié)構(gòu)采用空心拱墩，拱墩采用C30混凝土；拱墩承臺(tái)和拱座下布置3排3列的直徑1.8的C35樁基，樁基深入弱風(fēng)化基巖下5m。渡槽施工采用落地支架和移動(dòng)模架兩種施工方案，投資綜合比選詳見(jiàn)表6。

通過(guò)兩種型式渡槽的相對(duì)投資比較，拱式渡槽方案投資較優(yōu)，雖工期長(zhǎng)于大跨簡(jiǎn)支方案，但不影響該工程的總工期，因此馬爾巖渡槽選擇箱梁拱式渡槽結(jié)構(gòu)如圖3所示。

綜上所述，通過(guò)對(duì)三個(gè)代表性渡槽的投資及施工方案對(duì)比論證，向家壩灌區(qū)一期北總干渠園包山、大地灣、銀匠溝、大巖、會(huì)詩(shī)溝、紅巖子、雞冠嶺及溫沱8座渡槽均采用大跨預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支渡槽；清灘、瓦房頭及馬爾巖3座渡槽采用拱式渡槽，選擇的渡槽型式合理可行，渡槽主要特征參數(shù)詳見(jiàn)表1。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)北總干渠渡槽單槽流量大，單跨跨度長(zhǎng)，架空高度高，在目前四川水利工程建設(shè)史上僅有，在國(guó)內(nèi)水利工程建設(shè)史上也是少見(jiàn)。這些渡槽的設(shè)計(jì)和施工均是前沿的先進(jìn)技術(shù)，對(duì)其合理選跨、選型論證研究是十分必要的，也是這些高大渡槽順利建設(shè)和良好運(yùn)行的重要保障。

表6 兩種方案投資綜合比選

圖3 馬爾巖拱式渡槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(單位：cm)

(2)從渡槽結(jié)構(gòu)受力、流態(tài)、施工方案、投資及安全性等方面對(duì)代表性渡槽進(jìn)行論證研究,確定的渡槽跨度、型式、結(jié)構(gòu)及施工方案,是經(jīng)濟(jì)合理、結(jié)構(gòu)安全的。