特大型輸水工程跨河梁式渡槽若干關(guān)鍵技術(shù)問題探討

沈鳳生

（國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)辦公室 北京 100038)

1 概述

輸水渡槽具有水頭損失小、工程運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)勢，在輸水工程中廣泛采用。作為特大型輸水工程的南水北調(diào)中線一期工程總干渠（以下簡稱中線總干渠)采用渡槽形式跨越天然河道的有26座，其中梁式渡槽19座、涵洞式渡槽7座。當(dāng)渡槽的梁底高程高于河道校核洪水位 0.5m及以上時(shí)，可以采用梁式渡槽，梁式渡槽槽身不擋水。當(dāng)渡槽的梁底高程低于河道校核洪水位0.5m并仍需要采用渡槽輸水時(shí)，一般采用涵洞式渡槽，涵洞式渡槽上部槽身輸送渠水，下部涵洞宣泄河水，槽身可部分擋水；擋水高度須考慮上游允許壅水高度和河道通過校核洪水時(shí)渡槽自身的安全。中線總干渠梁式渡槽以及涵洞式渡槽基本情況及施工方式分別見表1和表2。

梁式渡槽經(jīng)濟(jì)跨度大，槽身普遍采用三向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，槽身結(jié)構(gòu)形式有矩形和U形兩大類。矩形渡槽還分單槽、雙槽和三槽結(jié)構(gòu)，有的矩形渡槽的槽壁和槽底采用肋板結(jié)構(gòu)，但多數(shù)為厚度漸變式板結(jié)構(gòu)。施工方式有滿堂紅現(xiàn)澆、造槽機(jī)現(xiàn)澆及預(yù)制和吊裝三種。梁式渡槽槽身結(jié)構(gòu)復(fù)雜、承受荷載大、跨度多為30m和40m，其設(shè)計(jì)、施工技術(shù)是中線總干渠典型的關(guān)鍵技術(shù)問題。涵洞式渡槽的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)相對簡單，均采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、滿堂紅現(xiàn)澆施工。

梁式渡槽槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工難度大，需要專門研究的難題多，但至今尚無梁式渡槽專用行業(yè)或國家相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在中線總干渠建設(shè)期間，在建設(shè)主管部門提出設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定的基礎(chǔ)上，通過建設(shè)過程中的不斷探索，基本形成了較為完整的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)。本文主要就中線總干渠梁式渡槽槽身的設(shè)計(jì)和施工所涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題的探討

梁式渡槽槽身本身自重大，且水體重量往往大于本身自重，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，因此中線總干渠梁式渡槽槽身結(jié)構(gòu)均采用了簡支形式支撐于槽墩。渡槽混凝土均采用 C50混凝土，抗?jié)B等級W6～W8，抗凍標(biāo)號 F150～F200。梁式渡槽設(shè)計(jì)和施工中需要解決的技術(shù)難點(diǎn)很多，本文重點(diǎn)就槽身結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)；槽身結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算；設(shè)計(jì)工況及溫度等荷載的確定；渡槽的特點(diǎn)及渡槽型式的選擇；預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)和施工；槽身混凝土施工澆筑方式等問題進(jìn)行分析和探討。

表1 梁式渡槽基本情況

表2 涵洞式渡槽基本情況

2.1 槽身結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)關(guān)乎槽身斷面設(shè)計(jì)以及施加預(yù)應(yīng)力的大小。為了保證渡槽結(jié)構(gòu)具有足夠的耐久性，要求在任何荷載組合下槽身過水槽壁表面不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，槽身外壁表面拉應(yīng)力不大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的 0.9倍（C50混凝土為1.7MPa)。

上述要求為正截面應(yīng)力的要求，較現(xiàn)行《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的“嚴(yán)格要求混凝土不出現(xiàn)裂縫”的相應(yīng)要求有所提高。除上述明確規(guī)定外，渡槽結(jié)構(gòu)斜截面應(yīng)力應(yīng)該符合現(xiàn)行規(guī)范的要求，即對于過水槽壁，應(yīng)按照“嚴(yán)格要求混凝土不出現(xiàn)裂縫”的相應(yīng)要求，斜截面主拉應(yīng)力不大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的 0.85倍，即2.24MPa（C50混凝土)；對于非過水槽壁，應(yīng)按照“一般要求混凝土不出現(xiàn)裂縫”的相應(yīng)要求，斜截面主拉應(yīng)力不大于混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的 0.95倍，即 2.52MPa（C50混凝土)；對于斜截面主壓應(yīng)力，無論是過水槽壁還是非過水槽壁，均需要滿足不大于混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的0.6倍的要求，即19.44MPa（C50混凝土)。

上述應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)在考慮瞬時(shí)溫度和位于強(qiáng)震區(qū)的輸水渡槽情況下由于可能出現(xiàn)局部應(yīng)力偏大現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)難度相對較大。

2.2 槽身結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算

渡槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)計(jì)算一般采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法和有限元法相結(jié)合。結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算中一般也不考慮支座不均勻沉降產(chǎn)生的影響。

結(jié)構(gòu)力學(xué)法多采用橫向、縱向兩個(gè)方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化來分別進(jìn)行計(jì)算。橫向計(jì)算一般取一個(gè)拉桿間距，底板（底肋)、側(cè)墻（側(cè)肋)、中墻（對于多槽情況)、頂部拉桿等形成一個(gè)矩形（或弧形)閉合框架，框架承受一個(gè)拉桿間距范圍內(nèi)的水壓力、自重等荷載?？v向計(jì)算時(shí)，將整個(gè)渡槽或渡槽的中墻或側(cè)墻簡化為簡支梁進(jìn)行計(jì)算，簡支點(diǎn)為支座，橫向計(jì)算時(shí)的支座反力作為集中荷載加載在這個(gè)簡化的簡支梁上。也有將渡槽縱、橫向分別離散為平面桿件單元，采用桿件有限元來進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算無法考慮溫度對結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響。

渡槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力一般需要采用三維有限單元法進(jìn)行應(yīng)力復(fù)核。有限元復(fù)核計(jì)算中需要按照運(yùn)行工況的各種可能組合進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算分析，并需要考慮溫度荷載在內(nèi)的所有荷載。溫度工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算成果由有限元計(jì)算法得出。

2.3 設(shè)計(jì)工況及溫度等相關(guān)荷載

設(shè)計(jì)工況主要為空槽、設(shè)計(jì)水位、加大水位及滿槽情況等基本運(yùn)行狀態(tài)下，與溫度、地震、人群、風(fēng)、冰等荷載不同組合。預(yù)制吊裝渡槽需要考慮吊裝、以及運(yùn)送渡槽荷載等情況。雙槽或三槽一聯(lián)的渡槽還要考慮空槽和滿槽同時(shí)存在的檢修工況。由于渡槽應(yīng)力的復(fù)雜性，對于三槽一聯(lián)渡槽，設(shè)計(jì)要求只考慮中槽一個(gè)槽或兩側(cè)槽同時(shí)檢修的對稱工況，即在實(shí)際運(yùn)行中這種渡槽檢修時(shí)不允許出現(xiàn)渡槽非對稱受荷的情況。

為有效減小地震動(dòng)力反應(yīng)，渡槽一般安裝減震支座，據(jù)試驗(yàn)研究成果表明，地震時(shí)，減震支座可有效減小地震力向槽身傳遞，因此渡槽均采用減震支座。中線總干渠沿線地震基本烈度不高，需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的梁式渡槽有9座，其中有 2座渡槽抗震設(shè)計(jì)采用地震峰值加速度0.15g， 7座渡槽抗震設(shè)計(jì)采用地震峰值加速度0.1g。渡槽抗震設(shè)計(jì)分析一般采用擬靜力結(jié)構(gòu)力學(xué)法或三維動(dòng)力有限元法，有條件的還采用了振動(dòng)臺(tái)模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。雖然通過研究表明，渡槽采用減震支座可提高渡槽上部結(jié)構(gòu)抗震能力，但目前出于安全儲(chǔ)備考慮均未直接計(jì)入支座的減震作用；動(dòng)水壓力大致符合韋斯特伽特剛性結(jié)構(gòu)面假設(shè)下的動(dòng)水壓力附加質(zhì)量模型規(guī)律，采用有限元分析計(jì)算時(shí)，可直接采用附加質(zhì)量法來考慮動(dòng)水壓力對渡槽槽身的作用。

冰壓力以及溫度荷載隨著渡槽所處位置不同，取值不同。

冰壓力計(jì)算一般按照《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算渡槽內(nèi)水體結(jié)冰厚度，按照《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算渡槽內(nèi)冰蓋溫度上升時(shí)冰蓋內(nèi)產(chǎn)生的水平膨脹壓力。

渡槽槽壁溫度應(yīng)力由輸水時(shí)槽壁內(nèi)外溫度差引起，或空槽時(shí)渡槽槽壁陰、陽面存在的溫度差引起，可采取保溫措施，以減小瞬態(tài)溫度差引起的不利影響。實(shí)際渡槽設(shè)計(jì)計(jì)算中，槽壁溫度差一般選取月平均或旬平均溫差來計(jì)算。槽壁外側(cè)面溫度與大氣溫度及太陽照射有關(guān)，渡槽內(nèi)側(cè)面溫度與輸水水體的水溫有關(guān)。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，黃河南的梁式渡槽冬季輸水渡槽內(nèi)外壁溫差取5.7～8℃，夏季輸水渡槽內(nèi)外壁溫差取-5.8～-8℃；黃河北的梁式渡槽冬季輸水渡槽內(nèi)外壁溫差取 14℃，夏季輸水渡槽內(nèi)外壁溫差取-7℃（陰面)、-12～-13℃（陽面)；空槽內(nèi)外壁溫差-5℃（陰面)和5℃（陽面)。中線總干渠渡槽設(shè)計(jì)中，為有效降低渡槽的溫度應(yīng)力，確保渡槽運(yùn)行期應(yīng)力長期滿足設(shè)計(jì)要求的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)，不少渡槽外壁和底部采取了保溫措施以有效削減作用在渡槽上的溫度差；有的設(shè)計(jì)單位要求通過調(diào)度運(yùn)用，避開夏季高溫時(shí)段或冬季低溫季節(jié)檢修。

2.4 渡槽的特點(diǎn)及渡槽型式的選擇

矩形渡槽和U形渡槽各有優(yōu)缺點(diǎn)。首先，從結(jié)構(gòu)布置角度來看，U形渡槽結(jié)構(gòu)輪廓圓滑，結(jié)構(gòu)體型為漸變過渡型，局部應(yīng)力集中問題相對較少；矩形槽斷面?zhèn)葔εc底板結(jié)合部大致為直角，存在局部應(yīng)力集中問題，但相對來說，結(jié)構(gòu)斷面較大?？傮w來說，U形槽和矩形槽兩種結(jié)構(gòu)型式均有整體性好，剛度大，受力明確等優(yōu)點(diǎn)，均可通過合理配置預(yù)應(yīng)力束改善槽體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，使渡槽應(yīng)力滿足結(jié)構(gòu)應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。其次，從預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)布置來看，縱向預(yù)應(yīng)力束，U形槽一般采用直線束，槽端剪力只能采用增加環(huán)向預(yù)應(yīng)力束的方式來解決；而矩形渡槽側(cè)墻（中墻)內(nèi)的預(yù)應(yīng)力束，可根據(jù)主應(yīng)力跡線彎起，由此提高預(yù)應(yīng)力效果，減少預(yù)應(yīng)力束用量。橫截面方向的預(yù)應(yīng)力束，U形槽按環(huán)向布束，錨具少，并可直接在槽頂張拉，無需專門的施工平臺(tái)，而矩形槽側(cè)墻（中墻)和底板需分別布束，錨具多、底板預(yù)應(yīng)力束張拉需專門搭建施工平臺(tái)。第三，從施工角度來看，U形渡槽重量輕，同規(guī)模渡槽相比，其重量一般為相應(yīng)矩形渡槽重量的60%。混凝土、鋼筋及鋼絞線等材料用量相對要比矩形渡槽少。但U形槽模板制作難度大，現(xiàn)澆時(shí)多采用造槽機(jī)，預(yù)制時(shí)采用架槽機(jī)，采用這兩種施工方案，可減少占用河床時(shí)間，但施工設(shè)備所需代價(jià)較高。采用造槽機(jī)時(shí)，澆筑混凝土過程中槽體模板變形對于槽身混凝土澆筑質(zhì)量的影響不可小看。矩形槽多用于滿堂紅現(xiàn)澆，施工立模支撐結(jié)構(gòu)較大，槽身預(yù)應(yīng)力錨索需分別進(jìn)行縱向、橫向和豎向3個(gè)方向的張拉施工，為不影響河道行洪，施工工序需在一個(gè)枯水季完成，施工工期要求高。當(dāng)槽墩較高（如雙洎河渡槽)，采用滿堂紅支架施工難度較大時(shí)，矩形渡槽也可采用造槽機(jī)，但投資相對較大，且由于渡槽自重大，混凝土澆筑質(zhì)量同樣會(huì)受到槽體模板變形的影響。第四，從對氣候適用性來看，由于北方地區(qū)冬季寒冷，U形渡槽相對矩形渡槽槽壁較薄，最小槽壁厚度一般僅為35cm，在溫差大、抗凍融等耐久性方面要求高的條件下，如不采取附加措施，U形渡槽耐久性不如矩形渡槽。第五，從投資來看，一般矩形渡槽均要比U形渡槽的綜合投資略大。采用預(yù)制或采用造槽機(jī)現(xiàn)澆等一次性投入較大的施工方式進(jìn)行建設(shè)時(shí)，還需要綜合比選投資。

總體來說，渡槽型式的選擇，包括矩形渡槽選用單槽一聯(lián)、兩槽一聯(lián)或三槽一聯(lián)，均需要從工程建設(shè)條件的方方面面，根據(jù)實(shí)際情況予以綜合考慮和比選。

2.5 渡槽預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)和施工

采用合適的渡槽預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)和施工技術(shù)十分重要，關(guān)系到工程的結(jié)構(gòu)安全和耐久性。

預(yù)應(yīng)力配筋中，除有的矩形渡槽豎向預(yù)應(yīng)力筋采用高強(qiáng)螺紋鋼筋外，一般均采用高強(qiáng)低松弛鋼絞線。除湍河渡槽環(huán)向預(yù)應(yīng)力采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方式外，其它所有渡槽的預(yù)應(yīng)力筋采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方式。為確保預(yù)應(yīng)力定位的準(zhǔn)確、可靠，設(shè)計(jì)要求施工準(zhǔn)備時(shí)直線段預(yù)應(yīng)力錨索波紋管定位每 0.5m設(shè)置一個(gè)固定點(diǎn)，曲線預(yù)應(yīng)力錨索波紋管定位每 0.3m設(shè)置一個(gè)固定點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力一般取0.7倍預(yù)應(yīng)力鋼絞線（鋼筋)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，張拉施工時(shí)，可以超張拉，但最大張拉力不得超過0.8倍預(yù)應(yīng)力鋼絞線（鋼筋)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。張拉端錨具變形及預(yù)應(yīng)力內(nèi)縮值、鋼絞線（鋼筋)與孔道邊壁之間的摩擦引起的損失、孔道偏差等參數(shù)需要根據(jù)規(guī)范要求選擇，并在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為有效減小預(yù)應(yīng)力張拉損失，不少渡槽設(shè)計(jì)中在渡槽槽身兩端設(shè)置混凝土后澆帶，以保證在渡槽縱向?qū)嵤﹥啥送瑫r(shí)張拉、分別鎖定。但后澆帶混凝土澆筑施工中應(yīng)重視一、二期混凝土結(jié)合面的施工質(zhì)量，必要時(shí)采取合適的防滲措施。

渡槽預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)中，由于單個(gè)渡槽預(yù)應(yīng)力筋布置不僅十分復(fù)雜，且數(shù)量巨大，需要通過詳細(xì)的分析計(jì)算，根據(jù)施工方式以及有關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求合理確定渡槽的張拉程序，并在施工中嚴(yán)格執(zhí)行。預(yù)應(yīng)力筋張拉每級加載后，應(yīng)同步量測其伸長值，鎖定后應(yīng)量測預(yù)應(yīng)力筋的回縮量和滑移量。預(yù)應(yīng)力筋張拉結(jié)束后，應(yīng)檢查預(yù)應(yīng)力保持是否達(dá)到要求，未達(dá)到要求的，應(yīng)補(bǔ)償張拉；無法進(jìn)行補(bǔ)償張拉的還應(yīng)采取其它可靠的措施。

為確保渡槽的耐久性，需要嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定和要求進(jìn)行預(yù)應(yīng)力孔道的灌漿設(shè)計(jì)和施工。孔道灌漿前，應(yīng)檢測預(yù)應(yīng)力錨索回縮值是否滿足設(shè)計(jì)要求。灌漿材料要求采用低堿硅酸鹽水泥或低堿普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度不低于結(jié)構(gòu)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度；水灰比一般不大于0.3；灌漿材料可根據(jù)需要添加專用的添加劑，但添加劑中應(yīng)不含有氯鹽、亞硝酸鹽或其他對預(yù)應(yīng)力筋具有腐蝕性的化學(xué)成份，減水劑應(yīng)采用高效減水劑?？椎拦酀{需要采用真空輔助壓力灌漿工藝，即采用一端壓漿另一端抽真空的方法；峰谷形曲線孔道，峰頂應(yīng)設(shè)置排氣孔，配合排氣；預(yù)應(yīng)力錨索水平布置時(shí)，則由張拉端灌漿孔壓漿，固定端排氣孔抽真空，兩端張拉的可根據(jù)情況布置；豎向布置時(shí)，則由張拉端灌漿孔抽真空，固定端排氣孔壓漿。為保證壓漿施工質(zhì)量，壓漿施工中應(yīng)按“四個(gè)要求”嚴(yán)格執(zhí)行，即要求控制好灌漿漿液的水灰比；要求控制進(jìn)入孔道的灌漿量；要求做好出氣孔和檢查孔的檢查工作；要求檢查孔道充填密實(shí)情況。

2.6 槽身混凝土施工澆筑方式

中線總干渠梁式渡槽施工采用了普通滿堂紅支架施工法、預(yù)制吊裝施工法、造槽機(jī)現(xiàn)澆施工法等3種施工方法。

普通滿堂紅支架施工法使用最為普遍，只要施工安排能滿足度汛要求，一般這種施工方法往往相對比較經(jīng)濟(jì)，因而是工程建設(shè)的首選。預(yù)制吊裝施工法以及造槽機(jī)現(xiàn)澆施工法可以不受度汛的影響，預(yù)制吊裝施工法還有澆筑質(zhì)量控制容易、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，但預(yù)制吊裝法受到架槽機(jī)、運(yùn)槽機(jī)等吊裝容量的限制，并需要加大槽墩寬度、復(fù)核運(yùn)送渡槽時(shí)已就位渡槽的承載力；造槽機(jī)現(xiàn)澆施工法存在造槽機(jī)在澆筑過程中模板出現(xiàn)持續(xù)變形可能帶來的澆筑質(zhì)量不可控的問題等。因此渡槽各種施工方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，都需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況來綜合比選合理選取，并都需要采取有針對性的措施來確保（井群干擾系數(shù)，利用此法核算得 2011年取水量他不同水源結(jié)合灌溉面積欄，比如揚(yáng)黃水（客水)渡槽施工建設(shè)的進(jìn)度和質(zhì)量。

不管采用什么施工方法，槽身混凝土澆筑時(shí)均需要采取嚴(yán)格的溫控措施，以防槽身混凝土出現(xiàn)溫度裂縫。

2.7 其它有關(guān)問題

渡槽撓度以及屈曲穩(wěn)定性往往遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)要求。渡槽施工建設(shè)中應(yīng)重視渡槽槽身之間伸縮縫止水的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)。

3 結(jié)束語

中線總干渠已經(jīng)建設(shè) 19座大型梁式跨河渡槽，其中石家莊至北京段工程的3座梁式渡槽已經(jīng)經(jīng)歷了5年多的輸水考驗(yàn)，工程運(yùn)行正常，說明現(xiàn)有梁式渡槽槽身的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)總體合理。下一步，中線總干渠全線通水后，在進(jìn)一步總結(jié)渡槽運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和分析原型安全觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，還需要深化溫度、地震等荷載作用下渡槽工作性態(tài)的研究工作，優(yōu)化渡槽的設(shè)計(jì)和施工方法。

1.《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 191-2008).中國水利水電出版社，2009年5月。

2.《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL211-2006).中國水利水電出版社，2007年2月。

3.《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5077-1997).中國電力出版社，1998年3月。

4.南水北調(diào)中線建設(shè)管理局.《南水北調(diào)中線干線工程預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、施工和管理技術(shù)指南》.2012年4月。