淺談高大多跨連拱渡槽槽墩及基礎(chǔ)設(shè)計的幾點(diǎn)體會

謝 林

（四川南充水利電力勘察設(shè)計研究院，四川 南充 637000）

渡槽是輸送渠道水流跨越河渠、道路、山?jīng)_、谷口等的架空輸水建筑物，是渠系建筑物中應(yīng)用最廣的交叉建筑物之一，除用于輸送渠水進(jìn)行農(nóng)田灌溉、城鎮(zhèn)生活用水、工業(yè)用水、跨流域調(diào)水等外，還可供排洪和導(dǎo)流之用。

隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展，鋼筋混凝土拱式渡槽成為工程中運(yùn)用較為廣泛的渡槽型之一。肋拱渡槽由于其主要受力特點(diǎn)是主拱圈將拱上鉛直荷載轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向壓力，傳給墩臺以水平推力，而拱內(nèi)彎矩較小，故其跨度可以達(dá)到百米以上。關(guān)于各種類型渡槽設(shè)計的理論、計算方法已有大量書籍、文獻(xiàn)，故不再贅述。本文主要通過工程實(shí)例，論述在高大連拱渡槽槽墩及基礎(chǔ)設(shè)計的幾點(diǎn)心得體會。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)省工程投資。

1 肋拱渡槽墩臺及基礎(chǔ)設(shè)計的幾點(diǎn)體會

1.1 肋拱單拱跨度L 及矢跨比f/L 對槽墩穩(wěn)定的影響

（1）確定肋拱合理的單跨跨度L，單拱跨度應(yīng)結(jié)合肋拱的橫向?qū)挾葋頂M定，過小的寬跨比對肋拱的橫向穩(wěn)定是不利的。若單拱跨度擬定得較小，在肋拱寬度不變的情況下，肋拱的寬跨比增大，雖然對渡槽肋拱的橫向穩(wěn)定是有利的，但是下部結(jié)構(gòu)槽墩個數(shù)增加較多。尤其對于高大的多跨連拱渡槽來說，加強(qiáng)墩的個數(shù)也相應(yīng)增多，使下部結(jié)構(gòu)槽墩的工程量增大。經(jīng)實(shí)際比較認(rèn)為，對于高大的多跨連拱渡槽，采用中等跨度（單跨跨度40～55m）的拱圈較為經(jīng)濟(jì)[2]。

（2）確定合理的矢跨比，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，槽墩承受的水平推力V 隨矢跨比的增大而減小較小，豎向力N 隨矢跨比的增大而增大。一般來說，若高大的多跨連拱渡槽基礎(chǔ)條件較好，可選用較大的矢跨比1/3～1/4；若基礎(chǔ)條件較差，可選用較小的矢跨比1/4～1/5；設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體條件反復(fù)研究進(jìn)行比較，選擇最優(yōu)的方案。

1.2 肋拱上部結(jié)構(gòu)荷載的加載順序?qū)Σ鄱辗€(wěn)定的影響

（1）肋拱上部結(jié)構(gòu)荷載的加載順序?qū)Σ鄱辗€(wěn)定的影響

墩臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)定除與上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載大小有關(guān)，更重要的是確定肋拱及上部結(jié)構(gòu)合理的施工及加載順序，對結(jié)構(gòu)安全及工程投資影響較大。

對于中間普通墩（對稱墩）而言，最不利工況是在施工期，如果不對稱加載，則形成的單向水平推力也較大，故墩臺的結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)增大，不經(jīng)濟(jì)。

對于中間普通墩（對稱墩），施工時應(yīng)遵循分層、分段對稱加載的原則：

具體的施工及加載順序：①首先逐跨澆筑全部裸拱②然后再對稱施工拱上排架③最后再對稱施工拱上排架頂部槽身。

對于制動墩（單向推力墩），最不利工況是在運(yùn)行期間。結(jié)構(gòu)設(shè)計計算一般考慮是設(shè)計流量水深或加大流量水深工況時，應(yīng)滿足承受相鄰拱跨突然失事對槽墩造成的單向水平推力，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施工期形成的單向水平推力。因此，施工期間肋拱上部結(jié)構(gòu)荷載的加載順序?qū)τ谥苿佣沼绊懞苄　?/p>

槽墩設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)研究肋拱上部結(jié)構(gòu)荷載的加載順序?qū)χ虚g普通墩（對稱墩）的影響，施工時應(yīng)滿足對稱加載原則，在滿足結(jié)構(gòu)安全的條件下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計節(jié)約工程投資。

1.3 槽墩型式的選擇

1、重力式實(shí)體墩和空心墩

根據(jù)材料力學(xué)的相應(yīng)計算公式分析：由于實(shí)心墩截面面積A 較大，受彎抵抗矩W 較大，在軸向力N 以及水平力V 作用下，實(shí)心墩截面形心壓應(yīng)力很小。

重力式實(shí)體墩的墩體強(qiáng)度及穩(wěn)定性容易滿足要求，但用材較多，自重大。

空心式重力墩可以充分利用材料強(qiáng)度，自重輕，材料省，空心墩可以采用鋼滑膜施工，施工速度快，質(zhì)量好。同樣高度下實(shí)體墩與空心墩比較：空心墩可比實(shí)體墩節(jié)省圬工20%～30%,鋼筋混凝土空心墩比實(shí)體墩可以節(jié)省圬工50%左右。

因此，對于高大渡槽的槽墩，若地基覆蓋層較厚，地基承載力較差。在滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，宜優(yōu)先采用空心重力墩。

1.4 槽墩基礎(chǔ)型式的選擇

地基條件較差時，基礎(chǔ)型式的選擇對施工工期、工程投資等影響較大，基礎(chǔ)型式的設(shè)計時應(yīng)結(jié)合施工的實(shí)際情況進(jìn)行[3]。

在滿足槽墩抗滑、抗傾穩(wěn)定的條件下，一般來說，高大渡槽的槽墩自重都較大，對地基承載力要求較高，對地基沉降量的敏感性較高。設(shè)計中不可避免地會遇到槽墩墩址處覆蓋層較厚，地基承載力較差的情況。

為滿足槽墩的地基承載力要求，槽墩基礎(chǔ)埋置深度較深。在具體設(shè)計過程中，擬定了剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)+承臺方案進(jìn)行了對比分析，總結(jié)如下：

1）、埋置較深的剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)方案

優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計計算較成熟，設(shè)計方便，施工工藝方法簡單[4]。

缺點(diǎn)：施工臨時占地較多；需進(jìn)行大開挖，基坑開挖及回填工程量較大，需要設(shè)置專門的棄渣場，水保、環(huán)保費(fèi)用高；深基坑開挖施工過程中安全風(fēng)險大；施工進(jìn)度慢，施工過程中措施費(fèi)較高。

2）、樁基礎(chǔ)+承臺方案

優(yōu)點(diǎn)：施工臨時占地較少；樁基鉆孔棄渣較少，可就近堆放，不需要設(shè)置專門的棄渣場，水保、環(huán)保費(fèi)用較低；可有效避免深基坑大開挖施工過程中的安全風(fēng)險；目前樁基采用旋挖機(jī)進(jìn)行施工，施工速度快。

缺點(diǎn)：采用規(guī)范推薦的“M”法進(jìn)行樁基承載力計算時，邊界條件及參數(shù)比較復(fù)雜，尤其在進(jìn)行樁基水平承載力計算時，柱側(cè)地基巖土彈性抗力系數(shù)的比例系數(shù)m 取值對水平承載力的影響較大，彈性抗力系數(shù)的比例系數(shù)m 取值需根據(jù)樁基水平承載力試驗(yàn)確定[5]。

但是總體而言，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合比較：對于高大連拱渡槽基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)+承臺方案優(yōu)于埋置較深的剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)。因此，對于基礎(chǔ)持力層埋置較深的高大渡槽槽墩基礎(chǔ)，宜優(yōu)先考慮樁基+承臺方案。

2 結(jié)束語

綜上所述，高大連拱渡槽設(shè)計是水利水電工程建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，如何選擇合理的設(shè)計方案、結(jié)構(gòu)計算模型以及計算參數(shù)的取值，其關(guān)系著工程的安全運(yùn)行。合理的方案選擇是影響工程進(jìn)度和投資的關(guān)鍵因素，因此，在進(jìn)行高大連拱渡槽設(shè)計時，除應(yīng)結(jié)合渡槽槽址處具體的地形地貌、工程地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件等，設(shè)計時應(yīng)尤其注意結(jié)合施工方案和類似工程經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較選擇合理的結(jié)構(gòu)型式。