瀝水溝渡槽震損恢復重建設計研究

韓曉榮 楊 莉

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

瀝水溝渡槽位于石門水庫灌區(qū)東干渠2.1km的瀝水溝溝口，是東干渠渠首重點建筑物，控制著下游27萬畝稻田，占石門水庫實際總灌溉面積的60%左右。

原渡槽設計輸水流量30m3/s，全長214.1m，最大建筑高度43.3m。工程1970年7月始建，1972年5月完工，渡槽全部采用了預制裝配式輕型結構。上部槽箱為“U”型薄殼預應力砼結構，下部排架為預制裝配輕型鋼筋砼雙肢和單肢型式，最大高度38.3m。該工程施工質量差，經過幾十年的運行，槽箱和排架砼碳化、開裂破損嚴重。

2008年汶川5·12大地震波及漢中市，加劇了渡槽的破壞，渡槽整體受損嚴重，基本無法正常運行，在運行通過流量16m3/s時，不僅漏水，且搖晃不止，安全度明顯不足，可能出現(xiàn)整體破壞，因而需進行恢復重建。

2 設計原則

根據震后渡槽受損實際情況及安全鑒定報告，考慮渡槽的灌溉要求，本著經濟合理、施工安全方便、盡快實施的原則，對各種可能實施的方案進行比較。

3 設計方案選擇

3.1 初始設計方案

因瀝水溝渡槽為災后重建項目，時限要求非常緊，渡槽重建采用何種方案是設計的關鍵，直接影響到工程投資、施工工期及施工安全等。經現(xiàn)場對渡槽地形、地質、結構型式分析后，初步擬定對原址新建、原址加固、改線三種方案進行比選。考慮到若渡槽改線，因施工時不能對老渡槽造成破壞，兩者必須有一定的距離間隔，勢必造成渡槽與上下游渠道轉彎銜接，水流條件較差，產生的彎道沖擊波可能引起渡槽震動，對渡槽整體穩(wěn)定不利。且由于改線方案當時未做地質勘察，而補做地勘工作至少需要3～5個月，本著節(jié)省工程投資、壓縮設計時間、減少社會因素影響等綜合考慮，改線方案在當時存在一定的制約因素。而渡槽原址線路順直，水流條件好，具有現(xiàn)成的地質資料，因而對原址加固和原址新建方案進一步比選。

3.1.1 原址加固

根據渡槽實際損壞情況對渡槽進行加固，原“U”型槽箱壁厚較薄，變位、碳化較大，加固處理難度大，本次對排架進行加固，槽箱進行置換，新設基礎井柱承擔上部荷載。

槽箱：槽箱為簡支梁式，跨度大，采用預應力C40鋼筋砼結構，斷面尺寸4.2m×3.3m，底板厚度0.35m，側墻厚度0.2m漸變?yōu)?.35m。槽身頂部設拉桿，以改善側墻和底板的受力狀態(tài)。

排架加固：將原排架鑿毛至新鮮砼面，沖洗干凈，澆筑C25鋼筋砼空心墩完全包裹?？招亩諡闄E圓矩型斷面，中部設置橫隔板，墩體從頂部整體以40∶1的坡比逐漸向下擴大。

基礎井柱：原井柱為C15砼，強度等級偏低，且部分為素混凝土，部分僅在上部7m范圍內構造配筋，不滿足規(guī)范要求。本次設計不利用原基礎井柱，豎向承載力及彎曲變形影響完全由新設井柱承擔，新設井柱為C25鋼筋砼，端部置于弱風化基巖上。

3.1.2 原址新建

原址新建下部支撐結構比較了空心墩、排架和拱式方案，因拱式方案施工工藝要求嚴格，施工難度大而不予采用?？招亩辗桨篙^排架方案貴，且布置顯得較為笨重，故原址新建方案以較輕型的排架作為代表。

對原渡槽槽箱及排架拆除置換，槽箱采用現(xiàn)澆預應力鋼筋砼矩形斷面，下部支撐采用排架，新設基礎井柱。

槽箱斷面型式同加固方案。

排架為C25鋼筋砼結構，橫向做成A字形，兩側以20∶1的坡比向下擴大。高度小于15m采用單排架，超過15m采用雙排架，雙排架在較大的豎向及水平向荷載作用下，其強度、穩(wěn)定及地基應力較單排架容易得到滿足。立柱斷面尺寸1.0m×0.8m，立柱間設橫梁從上到下4.0m等間距布置，斷面尺寸0.6m×0.8m。

新設C25鋼筋砼井柱，端部置于弱風化基巖上。

3.1.3 方案比較結果

原址新建方案雖然工期短、費用低，但最大的缺點是要保證在一個非灌溉季節(jié)建成通水，施工工程量非常大，工期不能滿足要求。加固方案雖然建筑工程直接費用大，但對工期要求較松，可以分階段實施加固，在灌溉季節(jié)可停止施工，渡槽可通過一定的小流量向下游灌區(qū)供水，考慮到下游27萬畝稻田灌溉用水的迫切需要，可以緩解下游灌溉壓力，初步選擇加固方案。

3.2 設計方案優(yōu)化

隨著設計工作的進一步深入，加固方案暴露出一些尖銳問題：渡槽至今已運行36年，基本達到了使用壽命，排架實際配筋量不足設計抗震級別的70%。5·12地震后，排架和槽箱幾乎都存在裂縫，埋于土體內的排架基礎鋼筋砼表面嚴重爆裂，鋼筋外露，排架破壞比較嚴重，5·12震后，通水16m3/s時就產生不規(guī)則搖晃。加固方案首先面臨的問題是不能判定原結構的承載能力和安全度；其次是新老材料的受力分配無法確定；另外就是結構受力鋼筋已從內部嚴重銹蝕，砼碳化深度超過鋼筋保護層；基礎需新增加井柱數量，施工難度大，有可能對老井柱造成破壞。因此，對原渡槽進行加固不僅加固起來非常麻煩、難度大，投資也不一定低，且加固后雖暫時可正常運行，但后期運行效果難以預料，工程運用安全性差。

在加固方案渡槽施工質量及安全性難以保證的情況下，項目參與各方結合項目實際，提出將渡槽向瀝水溝上游改線，雖線路長，水流條件差，但只要控制轉彎半徑與角度，水流條件可得到一定改善，改線方案最大的優(yōu)勢是施工不受原渡槽影響，施工中原渡槽仍可通水灌溉，施工安全風險小，工期保障要求低，最終確定采用改線方案。

4 改線方案布置

渡槽改線總體布置由1號隧洞、跨溝渡槽、2號隧洞三大部分以及相互之間的連接蓋板涵組成。

為了滿足渡槽進出口水流條件的平順銜接和1號隧洞進出口地形地質條件要求，從原渡槽上游蓋板涵處向溝道上游彎折進入1號隧洞，轉彎半徑23m，中心角44.75°，隧洞后段設一半徑23m、中心角47.17°的彎道與渡槽平順銜接，渡槽進口軸線與原渡槽相距約45m。此線路總體布置較為平順，水流條件好。為使渡槽下游與原主洞夾角較小，不影響渡槽過流能力，并在施工時不對原渡槽造成影響，渡槽出口軸線距原渡槽軸線布置為24m。渡槽改線平面布置見圖1。

槽箱下部支撐結構比較了拱架支撐與排架支撐。排架方案對兩岸邊坡基礎要求低，但跨度小，基礎處理個數多，槽箱采用預應力，工藝復雜，難度大。拱架方案拱圈施工工藝要求嚴格，斜井柱施工難度大，但基礎處理個數少，瀝水溝渡槽位于漢中石門國家水利風景區(qū)內，拱式方案較為美觀，推薦采用拱架方案，具體布置如下：

圖1 渡槽改線平面布置

圖2 渡槽改線縱向布置

（1）拱圈：跨主溝道布置3跨各43m跨徑的板拱支撐上部槽箱，拱圈矢高12.5m，矢跨比為1/3.44，拱圈采用變截面拋物線結構型式，拱頂厚度0.8m，拱腳厚度1.2m；拱圈寬度結合上部槽箱寬度及結構布置需要確定為5.64m。

（2）排架：為減小拱上荷載并使拱軸受力條件較好，拱上支撐結構采用輕型排架，排架間距6.6m，排架高度1.87m～8.70m之間，排架采用C25鋼筋砼現(xiàn)澆結構。排架橫向兩立柱中心距取決于槽身的寬度，為4.45m，立柱斷面尺寸0.6m×0.4m，立柱間設橫梁從上到下等間距布置，斷面尺寸0.35m×0.5m。

（3）槽箱：槽箱簡支于排架上，采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼箱型斷面。斷面尺寸4.2m×3.0m，底板、側墻、頂板厚度分別為0.33m、0.25m、0.2m。

（4）拱座墩臺：拱圈與拱座墩臺之間采用剛性連接。墩臺包括2個邊墩和2個中墩。1#、2#中墩分別高 25.11m、20.46m，為 C25鋼筋砼空心墩，斷面為圓矩形，墩身頂部尺寸7.83m×4.07m，墩身四側以25∶1的坡比向下擴大，墩身底部井柱蓋梁厚2.7m。根據承載力要求，蓋梁下分別布設8根直徑2.3m，深14.2m、10m鋼筋砼井柱，端部置于弱風化基巖上。

兩側邊墩均位于進、出口溝坡傾倒體上，采用C20砼大體積重力墩，考慮穩(wěn)定及布置要求，兩側邊墩水平截面尺寸為9.0m×9.2m，高度7.0m。根據承載力計算，上游邊墩基礎底面需布置2根長18m直徑2.7m豎直井柱，2根長18m直徑2.7m斜井柱；下游邊墩基礎底面需布置2根長22m直徑2.7m豎直井柱，2根長18m直徑2.7m斜井柱。井柱穿透傾倒巖體，端部置于弱風化基巖上。渡槽改線縱向布置見圖2。

5 拱式渡槽設計難點及處理措施

拱式渡槽特點是拱端推力傳至兩岸山體，對兩岸巖體強度及完整度要求較高，而瀝水溝渡槽兩岸邊坡為強～弱風化的綠泥石絹云母千枚巖傾倒體，巖體破碎，裂隙發(fā)育，遇水易軟化，且傾倒巖體本身處于不穩(wěn)定狀態(tài)，在渡槽使用年限內有可能發(fā)生蠕動，這對于拱式渡槽是個突出問題。

為解決這一難題，設計提出在拱端設置水平洞或基礎斜井柱，洞端穿透傾倒巖體置于弱風化基巖上，使弱風化巖體承受拱端推力。從本工程巖層特性看，布置水平洞長度較長，進洞口覆蓋層很小，在強風化傾倒巖體中，施工安全性不易保證。斜井柱可以和邊墩合理結合，且可基本垂直于巖層分界線布置，柱長較平洞可縮短一半，施工相對較容易且投資較小，故予以采用。有限元計算結果表明，在斜井柱角度設計合理的情況下，其所受內力較小，且可將拱端推力有效傳遞至端部弱風化基巖上。要求在施工運行過程中，對兩岸邊坡加強安全監(jiān)測，隨時掌握邊坡巖體變位動態(tài)，對可能發(fā)生的較大滑移及時做出處理。

6 試運行監(jiān)測

渡槽建成后，2014年3月結合春灌要求進行了試通水運行監(jiān)測，通水流量最大達到25m3/s。監(jiān)測顯示，渡槽水平及豎直向變形均較小，豎直變位最大點處僅3mm，進出口邊坡變形也較小。建成后至今近一年監(jiān)測結果表明，渡槽整體變形較小，在安全范圍之內。

7 結論

（1）工程設計時，應放眼工程項目長遠效益，綜合考慮工程投資、施工條件，運行管理等各種因素，使設計方案達到最優(yōu)。

（2）一般加固工程因受原工程條件的制約，給設計、施工造成一定的難度，且后期的運行效果難以預測，所以在有條件新建的情況下，應作充分的比較，本著經濟安全、施工方便的原則，盡量采用新建方案。

（3）瀝水溝渡槽震后恢復重建采用了改線方案，有效地避免了加固方案施工難度大、質量不易保證以及工期要求緊等各種問題，為渡槽實施提供了充裕的時間空間。陜西水利

[1]趙文華，陳德亮，顏其照，管楓年.灌區(qū)水工建筑物叢書渡槽第二版［M］.水利電力出版社，1988.

[2]中國建筑科學研究院建筑樁基技術規(guī)范［S］.中國建筑工業(yè)出版社，2008.