咸陽市彬長礦區(qū)輸配水工程渡槽的設(shè)計與施工要點(diǎn)分析

何毅偉

（福建路港（集團(tuán)）有限公司，福建 泉州 362000）

1 工程地質(zhì)概況

咸陽市彬長礦區(qū)輸配水工程渡槽設(shè)計總長268.6 m[1]，其中跨河谷段長163 m，最大槽墩高19m，設(shè)計輸水流量為Q=30 m3/s設(shè)計底坡i=1/1000，斷面凈寬3.5m，高4.12m，正常水深3.4m。在渡槽進(jìn)口布置有分水、退水閘及節(jié)制閘，渡槽在平面上還與公路交叉布置。

設(shè)計渡槽處于淺切割緩丘地形區(qū)，進(jìn)出口山坡地段基巖巖性為砂巖、粉砂巖、長石石英砂巖夾少量泥巖夾層，進(jìn)口段為中等傾角斜交順向巖質(zhì)邊坡，地形坡度較緩，無較大不良地質(zhì)現(xiàn)象；河谷段階地沖積砂土、砂礫石層厚3.2 m，承載力不高、中壓縮性，易產(chǎn)生壓縮變形及不均勻沉陷問題，地下水位處于階地松散砂土層以下；出口段為上緩下陡的緩傾角斜交反向巖質(zhì)邊坡。主要物理力學(xué)參數(shù)有：強(qiáng)風(fēng)化基巖變形模量E0=1 GPa～3 GPa，容許承載力fa0=0.8 MPa～1.2 MPa，巖體抗剪斷強(qiáng)度f'=0.55～0.6，粘聚力c'=0.1 MPa～0.2 MPa。

2 工程布置

2.1 軸線布置

渡槽（S32+065.869m～S32+334.470 m），總長 268.60 m，上接隧洞出口、下接隧洞進(jìn)口，軸線呈直線布置。包括分水口箱涵段（長13.674 m）、檢修節(jié)制閘段（長10 m）、進(jìn)口箱涵段（53.427 m）、跨北前公路段（長13 m）、跨河谷段（長150 m）及出口箱涵段（長28.5 m）。

2.2 體型比選

2.2.1 結(jié)構(gòu)體型的比選

渡槽縱向結(jié)構(gòu)一般可采用梁式、拱式、桁架式、拱梁組合式及斜拉式等幾種型式，各種型式各具優(yōu)缺點(diǎn)，其中前三種采用較為廣泛。該輸配水工程線路上渡槽均處于高地震區(qū)，水平地震動峰值加速度0.3 g，在特殊組合Ⅲ（地震+設(shè)計水深）下，上部結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生較大地震慣性力，要求結(jié)構(gòu)盡可能采用延性較好、抗震性能較為有利的結(jié)構(gòu)體系。本段設(shè)計輸水流量相對較小，根據(jù)總體布置，槽身底寬3.5 m，橫向尺寸較小，選擇梁式、桁架式縱向體系較為有利，考慮桁架式結(jié)構(gòu)桿件制作較為復(fù)雜、施工吊裝難度大、橫向上不便于與槽身相結(jié)合，而梁式結(jié)構(gòu)能結(jié)合渡槽橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計、施工相對簡單等特點(diǎn)[2]，本段各渡槽縱向結(jié)構(gòu)均推薦采用梁式體系?？紤]施工條件及結(jié)構(gòu)受力盡量簡單，本段渡槽推薦采用簡支梁式結(jié)構(gòu)。

2.2.2 槽身截面形式的比選

渡槽槽身橫斷面型式有矩形、U形、梯形、半圓形、半橢圓形和拋物線形等，常用矩形與U形[3]。輸配水線路上渡槽引水流量不大，矩形和U形均適用，渡槽大多處于山區(qū)，所跨河谷或沖溝大多切割較深、跨度不大，進(jìn)出口原始地形狹窄，不便于漸變段布置。根據(jù)總體設(shè)計，各渡槽進(jìn)口基本都布置有退水或檢修閘，其中渡槽尚布置有分水閘，從而使得干渠斷面在由隧洞矩形過水?dāng)嗝嫦騏形斷面過渡的漸變段尤難布置，加之矩形斷面具有結(jié)構(gòu)簡單、便于布置人形設(shè)施、施工工藝簡單等優(yōu)勢，因此本段采用矩形斷面形式，斷面底寬和底坡與相同流量的隧洞、暗涵相同。矩形槽身有懸臂側(cè)墻式、加肋式、箱式、多縱梁式和多廂聯(lián)式等多種型式，設(shè)計時主要依據(jù)槽身過流量進(jìn)行選取，前兩種適用于較小流量渡槽，多縱梁式和箱式適用流量較大，多廂聯(lián)式適用于大流量渡槽。本設(shè)計渡槽最大流量Q=30 m3/s，懸臂側(cè)墻式、加肋式、箱式三種橫斷面型式均能夠滿足要求，其中箱式結(jié)構(gòu)為封閉剛架，受力狀態(tài)最好，整體抗彎剛度最大，且可利用頂板布置人行便橋，因此推薦采用。

2.2.3 渡槽跨度的比選

當(dāng)采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，簡支梁式渡槽常用跨度為8 m～15 m，若采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，則可以加大到30 m～40 m[4]。對普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)考慮了10 m、12 m、15 m三種跨度進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算比較，再取其中較優(yōu)者與跨度25 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比較，最終推薦典型設(shè)計跨度。

經(jīng)結(jié)構(gòu)配筋計算，采用普通C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，渡槽在正常情況下結(jié)構(gòu)尺寸（底板及兩側(cè)邊墻厚度）由槽身橫向抗裂控制，跨度10 m、12 m、15 m均能滿足要求，在相同縱向配筋條件下，跨度10 m、12 m的渡槽縱向底板抗裂較橫向有一定富裕，跨度為15 m時，縱橫向抗裂承載力差別不大，因此渡槽進(jìn)出口段跨度按不大于15 m控制，采用C30普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。渡槽跨河谷中間段，對跨度15 m的C30普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和跨度25 m的C40預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步比較分析。考慮結(jié)構(gòu)橫斷面尺寸不大、且為箱形結(jié)構(gòu)，不便于橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋布置，預(yù)應(yīng)力方案橫斷面結(jié)構(gòu)尺寸按普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗裂控制尺寸設(shè)計，因此兩個方案在橫向上斷面相同、配筋相同，僅在縱向上布置鋼絞線。經(jīng)初步比較，采用跨度25 m預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在布置、工程量上相對較優(yōu)，推薦采用。

2.2.4 設(shè)計比選結(jié)果

設(shè)計渡槽槽身段總長163 m，斷面型式為箱型，B×H=3.5 m×4.12 m，共設(shè)7跨，其中13 m段單獨(dú)作為一跨，采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其余6跨為跨石河河谷段，為單跨長度25 m的C40預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。渡槽槽身結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2.3 渡槽與公路交叉布置

平面布置上均無法避開公路，干渠在樁號K32+150 m與北前公路交叉，平面交叉角度54°。分水/退水閘在陡坡段與北前公路交叉，平面交叉角度66°。因交叉段公路路面高程906.59 m，渡槽底板高程908.80 m，除去渡槽梁高0.75 m，渡槽梁底距離公路2.21 m，不滿足交通要求。平面布置圖見圖2。

圖2 渡槽與公路平面交叉布置圖

根據(jù)設(shè)計及施工經(jīng)驗(yàn)[5]，擬結(jié)合渡槽基礎(chǔ)開挖對交叉段公路進(jìn)行改造，將交叉段公路高程降低2.79 m至903.8 m，兩邊以i=5%坡度與原路面相接，槽底凈空高度5 m，滿足公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。該段地形平緩，路基位于基巖上，改造工程量較小，施工便利。渡槽與公路交叉改造見圖3。

圖3 渡槽與公路交叉改造圖

3 渡槽計算

3.1 槽深橫向結(jié)構(gòu)計算

1）計算基本資料及計算模型

槽身為箱型截面，斷面凈尺寸3.5 m×4.12 m（B×H），襯砌厚度：底板0.45 m、兩側(cè)邊墻0.4 m、頂板0.3 m。槽身橫向計算取單位長度（1 m）進(jìn)行，模型為矩形封閉剛架，經(jīng)進(jìn)行對稱簡化后，計算簡圖見圖4。

圖4 渡槽槽身計算簡圖

2）荷載組合

荷載組合見表1。

表1 渡槽荷載組合情況表

承載能力狀態(tài)各荷載分項(xiàng)系數(shù)[6]：結(jié)構(gòu)自重取1.05，水壓力取1.0，人群荷載取1.2；正常使用極限狀態(tài)下，各荷載的分項(xiàng)系數(shù)均取1.0。鋼筋混凝土重度取25 kN/m3，水的重度按10 kN/m3計。水荷載、槽身自重，人行荷載均考慮為均布荷載。

3）內(nèi)力計算結(jié)果

各工況下內(nèi)力計算成果分別見表2（篇幅所限，只列出彎矩圖）。內(nèi)力成果以工況1為例，彎矩圖，軸力圖見圖5。

表2 渡槽槽身橫向內(nèi)力計算結(jié)果表彎矩（kN·m）

圖5 渡槽槽身內(nèi)力圖—工況1

3.2 槽身橫向配筋計算

根據(jù)以上內(nèi)力計算結(jié)果，對槽身橫向進(jìn)行配筋計算，其中底板及頂板為偏心受拉構(gòu)件，側(cè)墻按受彎構(gòu)件計算[5]。

表3 渡槽橫向配筋計算材料參數(shù)表

本工程為輸水工程，建筑物級別為二級，為保證混凝土的抗?jié)B性及結(jié)構(gòu)的耐久性，在正常運(yùn)行工況槽身按抗裂設(shè)計。

渡槽橫向鋼筋均為構(gòu)造配筋：底板、側(cè)墻、頂板均每米配置5Φ16 mm的HRB鋼筋，截面積1005 mm2，對稱配筋。

槽縱向鋼筋配置為：15m跨度段，受拉普通鋼筋配置44Φ20mm的HRB鋼筋，鋼筋截面積13816 mm2，對稱配筋；25 m跨度段，受拉普通鋼筋配置40Φ25 mm的HRB鋼筋，對稱配置，預(yù)應(yīng)力鋼筋配置Φs15.2鋼絞線44束，其中每11小束合并成1大束，共計4大束配置于槽身邊墻底部，鋼絞線截面積6160 mm2。

4 施工要點(diǎn)

渡槽施工時應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)水工結(jié)構(gòu)施工規(guī)范及公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范等有關(guān)技術(shù)要求[6]。總體施工順序?yàn)橄认虏亢笊喜?，先基礎(chǔ)后結(jié)構(gòu)。凡因施工需要而斷開的鋼筋當(dāng)再次連接時，必須進(jìn)行焊接并應(yīng)符合施工技術(shù)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。施工中若鋼筋發(fā)生矛盾，允許進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整布置，但混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)予以保證。定位時應(yīng)采用可靠、精確的方法完成坐標(biāo)定測，放樣應(yīng)對提供的坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)核。施工單位應(yīng)盡可能采用先進(jìn)技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備，確保施工質(zhì)量。

5 結(jié)語

渡槽是輸水工程線路上最常用及重要的輸水建筑物之一。本輸水渡槽于2018年11月開工建設(shè)，目前正在建設(shè)中，根據(jù)其自身特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計施工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行合理的軸線比選、體型比選、交叉建筑物設(shè)計、通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算及配筋計算等選配出渡槽鋼筋，抗裂滿足規(guī)范要求，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出施工要點(diǎn)，可為相似工程設(shè)計提供參考。