普溪河渡槽設(shè)計與施工技術(shù)研究

劉明忠，李 鋒，陳崇德

（湖北省漳河工程管理局，荊門 448156）

1 概況

東風(fēng)渠灌區(qū)位于湖北省宜昌市東南部，灌區(qū)國土面積2437km2，人口63.85萬人，耕地面積7.9萬hm2，其中有效灌溉面積6.84萬hm2，主要水源從長江北岸一級支流黃柏河?xùn)|支的尚家河水庫引水。

普溪河渡槽位于湖北省宜昌市夷陵區(qū)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)普溪河村，宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)總干渠樁號11+830～12+833.42處。全長1003.42m，其中進(jìn)口明渠段58.11m，進(jìn)口漸變段15m，進(jìn)口連接段30m（2節(jié)×15m），預(yù)應(yīng)力渡槽段800m（單節(jié)40m×20節(jié)），出口連接段15m（1節(jié)×15m），出口轉(zhuǎn)彎段70.31m，出口漸變段15m；渡槽大高度61.5m，縱坡1/600，設(shè)計流量15.0m3/s，加大流量18.0m3/s； 槽身斷面為矩型，斷面尺寸4.3m×3.45m（寬×高），槽身凈空尺寸3.1m×2.6m（寬×高），側(cè)壁最小截面寬度0.3m，預(yù)應(yīng)力簡支梁結(jié)構(gòu)； 槽身結(jié)構(gòu)為C50W4F100鋼筋混凝土整體澆筑，采用DZS40/500上行式矩形造槽機在原位置逐跨澆筑。

2 普溪河渡槽設(shè)計

2.1 普溪河渡槽現(xiàn)狀

原渡槽建于1970年，經(jīng)過40多年的運行，槽身、底板、排架混凝土大面積剝蝕，鋼筋裸露，老化損壞嚴(yán)重。槽身混凝土強度范圍在9.5～19.4MPa，碳化平均深度25.2mm，排架立柱混凝土強度范圍14.7～20.5MPa，碳化平均深度23.7mm，槽身底板橫向、側(cè)墻縱向配筋，斜截面抗剪強度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，渡槽在現(xiàn)狀工況下處于不安全運行狀態(tài)，需要拆除重建。

2.2 普溪河渡槽設(shè)計

2.2.1 槽身設(shè)計

采用單孔空箱簡支結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)通氣孔，每節(jié)槽身設(shè)25束鋼絞線，兩端各預(yù)留0.6m待張拉完成后進(jìn)行第二期混凝土澆筑，可利用造槽機機械化施工。

2.2.2 槽墩排架設(shè)計

槽墩高度小于15m的采用單肢排；墩槽高度小于35m的采用雙肢排架；墩槽高度大于35m的采用空心墩；墩槽高度大于45m的采用空心墩與實心墩相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。其中排架柱、基礎(chǔ)、實心墩及墩帽采用C30混凝土，空心墩采用C40混凝土。

2.2.3 槽墩

依據(jù)地質(zhì)條件和槽墩高度，槽墩采用明挖擴大基礎(chǔ)，采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑1.2m，間距4.3m，垂直水流方向布置3排，間距3.7m，樁深入微風(fēng)化層3m以下。

2.2.4 槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計

槽身水力計算采用明渠均勻流公式。槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計斷面尺寸如圖1。

圖1 槽身斷面尺寸

可沿槽身縱向取1.0m長的脫離體，按平面要求進(jìn)行橫向計算。作用在脫離體上的荷載兩側(cè)的剪力差平衡，側(cè)墻與底板交結(jié)處可視為鉸接，槽內(nèi)水位取至槽頂作為控制條件，按不利斷面進(jìn)行配筋計算［1］。

支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計按最不利工況為滿槽+橫向風(fēng)荷載計算。

普溪河渡槽采用簡支梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，對槽身及支承結(jié)構(gòu)的形式和最小配筋進(jìn)行了分析計算。該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，技術(shù)成熟，風(fēng)險系數(shù)和施工難度系數(shù)較小，有較好的經(jīng)濟(jì)性和實用性。

3 普溪河渡槽施工技術(shù)

3.1 小截面槽身高標(biāo)號混凝土配合比研究

3.1.1 普溪河渡槽混凝土澆筑特點

①設(shè)計為高標(biāo)號混凝土（C50）；②槽身斷面尺寸小，其中側(cè)墻厚度僅0.3m；③最大高度61.5m，風(fēng)壓高度變化系數(shù)1.86； ④受橫穿主梁的懸挑外肋及挑梁阻擋影響，混凝土入倉進(jìn)料孔間隙小，難以采用天泵直接入倉澆筑；⑤跨度較大，現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土。因而混凝土澆筑工程難度較大［2］。

3.1.2 配合比試驗

依據(jù)當(dāng)?shù)乜晒┑?、?jīng)檢驗合格的不同產(chǎn)地的水泥、細(xì)骨料、粗骨料、煤粉灰、抗裂摻和物、外加劑等原材料，以及防滲、抗凍、抗裂等要求，擬定15種不同的配合比，每種配合比試塊為6組，在不同溫度條件下進(jìn)行對比試驗，分別求得各混凝土試塊初凝、終凝時間，4h（因底板混凝土澆筑時間在4h左右）塌落度經(jīng)時損失值，以及養(yǎng)護(hù)3，7，28d后的混凝土抗壓強度等。經(jīng)過分析，最終選定適合于工程特點的配合比，即每立方米混凝土中，水泥、煤粉灰、江砂、黃砂、碎石、外加劑、水、纖維素的比例為1∶0.128∶0.298∶1.19∶2.23∶0.027∶0.362∶0.0019。

3.1.3 槽身混凝土實測指標(biāo)

11#～22#槽身混凝土實測指標(biāo)如表1。

表1 11#～22#槽身混凝土實測指標(biāo)

其中19#～22#槽身混凝土澆筑時，內(nèi)模溫度較高，不便于人工操作，采取了通風(fēng)設(shè)備后，溫度有所下降。

按上述混凝土配合比，并滿足一定的施工條件，混凝土的和易性、泵送性、坍落度、擴散度、抗壓強度等各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，能較好的指導(dǎo)施工［3］。

3.2 造槽機結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

依據(jù)普溪河渡槽為大跨度、小截面、端部高、矩形封閉式箱梁槽身等施工特點，對DZS40/500造槽機結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化［4］。

3.2.1 箱式導(dǎo)梁改為桁架形式

由于主梁與導(dǎo)梁截面突變，導(dǎo)致在主梁與導(dǎo)梁下部連接處產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力集中問題較突出，優(yōu)化的方法是：（1）通過焊接拼接板并用高強螺栓與主梁連接；（2）將導(dǎo)梁改為桁架結(jié)構(gòu)，降低工程造價；（3）增加主梁與桁架結(jié)構(gòu)間連接的漸變段，逐步改變受力形式。

3.2.2 延長主梁下部受力支撐區(qū)域截面加強范圍

在實際操作過程中，受造槽機加工、安裝及各支撐位置水平精度和混凝土澆筑面平整度誤差等因素影響，各支點難以做到絕對水平，導(dǎo)致各支點間內(nèi)力呈隨機紊亂分布狀態(tài)，尤其是2#支腿一旦出現(xiàn)支墊超高，在過跨后期3#支腿提前脫空，將導(dǎo)致2#支腿對應(yīng)的主梁下部未加強區(qū)域承受超設(shè)計荷載，極有可能出現(xiàn)局部失穩(wěn)的問題。優(yōu)化的方法是：從導(dǎo)梁連接處起往3#支腿方向延伸至35m范圍，增加主箱梁下部支撐面與腹板內(nèi)外側(cè)倒角筋板及豎向截面強化筋板，并加強橫向、豎向筋板間等。

3.2.3 增加內(nèi)模系統(tǒng)倒角蓋模

造槽機出廠時因考慮自動收縮折疊，故未在內(nèi)模倒角接觸部位設(shè)計蓋模。在澆筑第二層混凝土過程中，內(nèi)模倒角易翻出大量的混凝土，其側(cè)向壓力對已平倉的混凝土（第一層）形成擾動，既降低了槽身混凝土的澆筑質(zhì)量，也增加了清理工作量，同時也延長了槽身混凝土澆筑時間。優(yōu)化的方法是：底板混凝土澆筑完成后，在倒角模板外側(cè)增加蓋模，蓋模一側(cè)嵌入倒角模板底邊2cm處固定，外側(cè)采用鋼管頂撐模板。經(jīng)過試驗對比，確定蓋模寬度為0.4m，確保了內(nèi)倒角澆筑質(zhì)量，縮短了澆筑時間，且操作簡單。

3.2.4 解決造槽機內(nèi)外模板系統(tǒng)變形的問題。

DZS40/500造槽機安裝完成后，內(nèi)模系統(tǒng)由于整體剛度較強，造成上下游兩端部約0.25m不能向下調(diào)整到位以及內(nèi)外模的變形過程不一致。其后果可能是：澆筑完成的槽身頂板厚度不夠（設(shè)計0.25m，澆筑完成后0.225m），底板過水面保護(hù)層過大 （設(shè)計0.05m，澆筑完成后0.075m＞規(guī)范0.0625m），進(jìn)一步還會影響到槽身底板設(shè)計縱坡（如圖2），導(dǎo)致水的流態(tài)發(fā)生變化，危及槽身的結(jié)構(gòu)安全。

圖2 槽身縱坡曲線示意

優(yōu)化的方法是： 增加連接限位桿將內(nèi)梁上下游兩端由原來50t千斤頂支撐在墩帽上的方式。改為由吊桿直接與主梁連接，內(nèi)梁受力方式由上下端2支點、中部4吊點（如圖3），優(yōu)化為上下端2吊點、中部4吊點（如圖4）的方案，將內(nèi)梁通過連接桿懸掛于主梁底部，形成整體聯(lián)合受力，既解決了變形不一致的問題。也解決了槽身頂板和底板保護(hù)層厚度的問題，滿足設(shè)計縱坡的要求。

圖3 造槽機上下端2支點、中部4吊點示意

圖4 造槽機上下端2吊點、中部4吊點示意

3.2.5 增設(shè)外模頂口線可調(diào)節(jié)桿件

造槽機外側(cè)上部行走平臺外檐與外肋之間配置了48個頂絲，但未設(shè)計頂絲固定和拉回裝置，施工中發(fā)現(xiàn)頂絲調(diào)節(jié)模板線條時，很難協(xié)調(diào)一致，效果不明顯；又由于無固定裝置，混凝土振搗棒振搗時，頂絲容易掉落，給下方通過的人、車造成了安全隱患。優(yōu)化方法是：在外模頂口、外肋上焊接固定耳板座，設(shè)48個可調(diào)節(jié)撐桿替換所有上口頂絲，并按45°角布置，其操作性簡單，穩(wěn)定性、安全性可靠，線條順直易于控制。

3.2.6 增加高空避雷裝置和安全防護(hù)設(shè)施

造槽機未設(shè)計高空避雷裝置，雨季施工時設(shè)備和施工人員均存在重大安全隱患。解決的辦法是增設(shè)高空避雷裝置和開、合方便的上部頂棚；墩帽是施工過道和平臺，造槽機未設(shè)計安全防護(hù)設(shè)施，解決的辦法是在墩帽增設(shè)安全防護(hù)欄。

優(yōu)化后的DZS40/500造槽機主要由主梁、外模系統(tǒng)、內(nèi)模系統(tǒng)、1#～4#支腿、端模、起升小車、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、配重塊及其他附屬結(jié)構(gòu)等組成。主梁由4#支腿和1#支腿分別支撐與上下游兩個墩帽頂部，橫穿主梁側(cè)面設(shè)有12根挑梁，挑梁上懸掛有外肋，外肋在挑梁上橫移實現(xiàn)外模的開、合模功能，當(dāng)外模合攏時可形成40m跨的槽身的施工平臺； 當(dāng)外模張開時，主梁攜帶外模系統(tǒng)由有行走功能的3#腿和2#腿的液壓動力驅(qū)動下移動過跨； 另外起升小車可承擔(dān)垂直運輸任務(wù)，移動2#腿前后運動，無需配備其他設(shè)備。

3.3 大跨度小截面預(yù)應(yīng)力槽身造槽機施工混凝土澆筑

3.3.1 混凝土澆筑難點分析

（1）普溪河渡槽單跨槽身混凝土澆筑量較大，澆筑時間較長。經(jīng)計算，單跨槽身混凝土量約200m3，澆筑時間約需12h左右。

（2）由于截面狹窄、鋼筋及波紋管布置密集，混凝土入倉及振搗棒振搗的空間窄小，稍有不慎就會出現(xiàn)質(zhì)量問題。

（3）混凝土在澆筑時除保證其強度、抗?jié)B和抗凍等指標(biāo)外，還必須具有較大的坍落度及較長的緩凝時間。

（4）為避免澆筑過程中產(chǎn)生翻漿現(xiàn)象，保證混凝土澆筑密實，無蜂窩、麻面、孔洞及表面溫度裂縫等問題，需制定合理的澆筑及振搗方案和科學(xué)完善的混凝土養(yǎng)護(hù)措施［5］。

3.3.2 工藝研究

經(jīng)過多方案比較、論證，不斷試驗、探索，DZS40/500上行造槽機在每一節(jié)預(yù)應(yīng)力槽身施工流程如下：

（1）首跨施工工藝流程：施工準(zhǔn)備→梁體拼裝→內(nèi)、外模安裝調(diào)試→預(yù)壓試驗→外模安裝調(diào)試→底板及側(cè)墻鋼筋制安、布置預(yù)應(yīng)力波紋管→內(nèi)模系統(tǒng)就位及固定→頂板鋼筋制安、布置預(yù)應(yīng)力波紋管→混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→預(yù)應(yīng)力張拉錨固→灌漿封錨。

（2）標(biāo)準(zhǔn)施工工藝流程：上跨施工完成→造槽機過跨及就位→外模安裝調(diào)試→底板及側(cè)墻鋼筋制安、布置預(yù)應(yīng)力波紋管→內(nèi)模系統(tǒng)就位及固定→頂板鋼筋制安、布置預(yù)應(yīng)力波紋管→混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)→預(yù)應(yīng)力張拉錨固→灌漿封錨→二期混凝土澆筑。

3.3.3 關(guān)鍵點控制

（1）造槽機過跨、安裝。

很快一個月過去了，當(dāng)我把變賣廢紙所得的56元錢高高舉在孩子們面前時，大家一個個興奮不已，甭提有多自豪了。

（2）內(nèi)外模調(diào)試。

（3）鋼筋與預(yù)應(yīng)力波紋管制安。

（4）內(nèi)模系統(tǒng)就位及固定。

（5）混凝土澆筑分層控制（第1層底板、第2層倒角、第3~7層側(cè)墻、第8層頂板），如圖5。

（6）混凝土養(yǎng)護(hù)。

圖5 40m槽身澆筑層劃分示意

3.4 混凝土裂縫預(yù)防

（1）原材料選擇與混凝土配合比試驗。對原材料進(jìn)行比較優(yōu)選，對擬定的各種配合比方案進(jìn)行試驗，在滿足混凝土可施工性能的基礎(chǔ)上減少水化熱量。

（2）溫度控制。采取噴灑水霧、設(shè)置遮陽棚等方式，降低骨料、水和摻和料的物理溫度；在攪拌車上部及泵管上覆蓋遮陽材料并定時灑水，降低混凝土入倉溫度；槽身混凝土拆模前，控制內(nèi)部與外部溫度差＜15 ℃；改善混凝土的拌合加工工藝，控制混凝土出機口溫度等； 通過試驗建立混凝土出機口溫度與現(xiàn)場澆筑溫度之間的關(guān)系，并采取有效措施減少混凝土運送過程中的溫升等。

（4）加強混凝土養(yǎng)護(hù)。保溫養(yǎng)護(hù)：采取鋼模外貼30mm厚聚氨酯保溫板，混凝土面層覆蓋兩膜兩毯一油布的保溫措施，混凝土內(nèi)外溫差不大于15 ℃；保濕養(yǎng)護(hù)：適時補充與混凝土同溫度的養(yǎng)護(hù)水；設(shè)置遮陽和擋風(fēng)設(shè)施，避免薄壁結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)溫度裂縫等。

3.5 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計與張拉方案優(yōu)化

3.5.1 預(yù)應(yīng)力損失構(gòu)成

普溪河渡槽為大跨度預(yù)應(yīng)力渡槽，預(yù)應(yīng)力損失主要有：鋼束與管道間摩擦引起的摩阻損失；錨具變形，鋼絲回縮引起的錨固損失；分批張拉時，混凝土彈性壓縮引起的損失；鋼筋松弛引起的應(yīng)力損失、混凝土收縮徐變引起的應(yīng)力損失等。

3.5.2 張拉計算方案

采用大型通用空間有限元軟件MIDAS/Civi對各張拉方案進(jìn)行仿真分析，在槽身頂部、側(cè)墻、底梁、底板等部位，分析不同張拉順序，不同張拉步驟對預(yù)應(yīng)力的損失，尋求鋼絞線合理的張拉順序及布設(shè)，最終確定采用對稱張拉方案用于工程施工。

監(jiān)測與理論計算結(jié)果數(shù)據(jù)相差不大，并有較好的正相關(guān)關(guān)系［6］。

4 普溪河渡槽效益分析

4.1 社會效益

（1）供水效益明顯。普溪河渡槽的運用，引水流量由12.5m3/s恢復(fù)到15.0m3/s，滿足灌溉用水需求；同時將上游明渠正常運行水位降低了0.57m，提高了渠道運行安全系數(shù)；改變了老渡槽帶病運行的狀況，減輕了管理工作難度。

（2）利用大跨度小截面預(yù)應(yīng)力渡槽造槽機施工，解決了常規(guī)方法模板支撐結(jié)構(gòu)施工的難度，特別是高度較高的渡槽，其支撐結(jié)構(gòu)工程量大，且受天氣條件的制約。

（3）DZS40/500造槽機自動化控制程度較高，極大地減少、減輕了高空作業(yè)的工作量，提高了施工安全保障。

（4）在施工中提出并優(yōu)化的項目，如：箱式導(dǎo)梁改為桁架形式，延長主梁下部受力支撐區(qū)域截面加強范圍，解決造槽機內(nèi)外模板系統(tǒng)變形的問題，增加內(nèi)模系統(tǒng)倒角蓋模，增設(shè)外模頂口線可調(diào)節(jié)桿件，增加高空避雷裝置和安全防護(hù)設(shè)施等，均被造槽機生產(chǎn)廠家采納，對于持續(xù)推進(jìn)造槽機設(shè)備在水利工程中的應(yīng)用有一定意義。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）節(jié)省投資。經(jīng)分析，與T梁+上部澆筑槽身的方案相比，造槽機方案主要減少了人工、材料和特種機械的資金投入，預(yù)應(yīng)力槽身共20節(jié)，平均每節(jié)槽身節(jié)省投資36.316 萬元，20節(jié)槽身共節(jié)省投資726.32萬元。

（2）縮短工期。造槽機過跨及外模合攏僅需1d，即可為后續(xù)施工工序提供施工平臺； 同時槽身C50W4F100鋼筋混凝土7d可達(dá)到設(shè)計強度的90%左右，即可進(jìn)行張拉，總工期縮短2個月左右。

4.3 生態(tài)環(huán)境效益

減少了植被破壞面積。采用造槽機施工，減少了槽身原位現(xiàn)澆下部支撐結(jié)構(gòu)及支撐材料加工、堆碼場，椐測算，減少了施工擾動造成的水土流失面積約2萬m2。

5 結(jié)語

采用DZS40/500造槽機在大跨度小截面預(yù)應(yīng)力槽身混凝土施工，依據(jù)工程質(zhì)量、安全保證的需要，不斷對造槽機進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，確保了工程施工的順利進(jìn)行和按時完成，為類似工程的施工提供了可資借鑒的經(jīng)驗，同時將水利工程施工與科學(xué)研究結(jié)合起來，符合水利工程建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展的趨勢。