夾巖水利樞紐工程白甫河高大跨管橋拱圈錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用

任明武 徐青松 譚九月

摘要：在夾巖水利樞紐工程白甫河高大跨管橋拱圈施工過程中，為了給拱圈懸臂澆筑節(jié)段提供充足的錨固力，又可降低工程施工成本，根據(jù)兩岸樁基、鎮(zhèn)墩等永久構(gòu)筑物布置，結(jié)合施工現(xiàn)場的實際地形、地質(zhì)條件，采用了混合式錨碇結(jié)構(gòu)和新型預(yù)應(yīng)力錨碇結(jié)構(gòu)。目前管橋拱圈已安全順利合龍，施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明錨碇結(jié)構(gòu)和管橋拱圈狀態(tài)正常，說明混合式錨碇結(jié)構(gòu)和新型預(yù)應(yīng)力錨碇結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，施工質(zhì)量良好，結(jié)構(gòu)安全可靠，并保證了拱圈的施工安全、進(jìn)度和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：混合式錨碇結(jié)構(gòu);預(yù)應(yīng)力錨碇結(jié)構(gòu);高大跨管橋;拱圈;夾巖水利樞紐工程

中圖法分類號：U448.22文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.007

文章編號：1006 - 0081（2021）07 - 0034 - 06

黨的十八大以來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展和對生態(tài)環(huán)境的重視，各地對水資源的需求和重視程度越來越高，中國的大型輸配水工程建設(shè)也逐漸增多。其中，輸水建筑往往長達(dá)幾百公里，沿線會經(jīng)過不同的地質(zhì)構(gòu)造，如跨越河流及峽谷，使水利工程的設(shè)計和施工的難度增大。如何選擇最經(jīng)濟、合理的跨越河流及峽谷的水工建筑結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的施工方案成為水利工程研究的重點。斜拉扣掛掛籃懸臂現(xiàn)澆施工技術(shù)因其能夠適應(yīng)于各種復(fù)雜的地形環(huán)境，且具有結(jié)構(gòu)整體性好的優(yōu)點，成為了近年來發(fā)展較快的一種拱橋施工方法，雖然在交通工程建設(shè)領(lǐng)域的應(yīng)用很廣[1-3]，但還未在水利工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用。在管橋（水利工程中稱為“管橋”，交通工程中稱為“拱橋”）拱圈懸臂現(xiàn)澆施工過程中，需要采用斜拉索來確保懸臂端受力平衡，而錨碇作為錨固斜拉索的重要結(jié)構(gòu)，直接關(guān)系到拱圈的施工安全和線形質(zhì)量[4-8];一些工程學(xué)者或技術(shù)人員也結(jié)合工程實例，對拱橋施工時錨碇結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工進(jìn)行過比較詳細(xì)的論述或探討[9-12]?，F(xiàn)以夾巖水利樞紐工程白甫河倒虹管工程跨河管橋的建設(shè)為例，對復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下高大跨管橋拱圈施工時的錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用進(jìn)行了分析和總結(jié)，以期為類似工程提供借鑒。

1工程概況

1.1工程概述

白甫河高大跨管橋是貴州省夾巖水利樞紐及黔西北供水工程北干渠上白甫河倒虹管工程的跨河段部分，白甫河倒虹管全長1 152.2 m，設(shè)計流量為31 m3/s?？绾佣尾糠譃楣軜蛏箱?根直徑 3.1 m的壓力鋼管過水，為鋼筋混凝土懸鏈線無鉸箱型拱橋，凈跨徑180 m，凈矢高36 m，凈矢跨比1/5，拱圈采用C55鋼筋混凝土單箱雙室結(jié)構(gòu)形式，箱型截面寬8.0 m、高3.2 m。拱圈共分成29個現(xiàn)澆節(jié)段，其中拱腳0號節(jié)段采用鋼管支架現(xiàn)澆施工，兩岸1～13號節(jié)段均采用斜拉扣掛掛籃懸臂現(xiàn)澆施工;跨中合龍段長2 m，混凝土設(shè)計方量為20 m3，采用進(jìn)口岸掛籃底籃進(jìn)行施工;施工過程中需對進(jìn)、出口岸的0～13號懸臂節(jié)段進(jìn)行扣掛固定，其拱圈結(jié)構(gòu)設(shè)計及懸臂現(xiàn)澆施工工藝在水利工程中都很少見。橋址位于洪家渡水庫庫尾的“V”字形深斜向河谷中，管橋進(jìn)、出口岸均連接短隧洞和深豎井，施工場地狹窄，管橋的施工技術(shù)難度和安全風(fēng)險都很高。

1.2地形地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

白甫河倒虹管跨河管橋進(jìn)口岸為馬場鎮(zhèn)新迎村，出口岸為理化鄉(xiāng)石板橋村，河谷頂寬約410 m，溝谷深約210 m，兩岸為陡坡地形，進(jìn)口岸坡約53.2°，出口岸岸坡約39.6°，局部為陡壁，巖層傾角變化較大，兩岸地形地貌如圖1所示。

1.2.2地質(zhì)條件

白甫河跨河管橋進(jìn)口岸從上至下地質(zhì)情況如下：上部緩坡平臺至1178 m高程為永寧鎮(zhèn)組第三段（T1yn3）灰?guī)r，1178 m高程至1139 m高程之間為永寧鎮(zhèn)組第二段（T1yn2）泥巖、泥質(zhì)白云巖，1139 m高程以下為永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn1）灰?guī)r。出口岸從上至下地質(zhì)情況如下：上部緩坡平臺至1210 m高程為永寧鎮(zhèn)組第三段（T1yn3）灰?guī)r，1210 m高程至1160 m高程為為永寧鎮(zhèn)組第二段（T1yn2）泥巖、泥質(zhì)白云巖，1160 m高程以下為永寧鎮(zhèn)組第一段（T1yn1）灰?guī)r。巖體強風(fēng)化厚度泥質(zhì)白云巖、泥巖為8.0～10.0 m，灰?guī)r為3.0～5.0 m。白甫河跨河管橋兩岸地質(zhì)情況如圖2所示。

2 錨碇結(jié)構(gòu)方案

2.1 錨碇結(jié)構(gòu)體系總體設(shè)計

依據(jù)兩岸結(jié)構(gòu)物分布及已開挖完成的坡面，選取了兩種錨碇結(jié)構(gòu)用于受力轉(zhuǎn)換，以提供平衡拱圈懸臂節(jié)段的錨固力。出口岸有4個永久構(gòu)筑物，通過計算，據(jù)此布置4組混合式錨碇結(jié)構(gòu)就能夠有效解決出口岸拱圈懸臂節(jié)段所需的錨固力，而進(jìn)口岸僅有1個樁基承臺及1個鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)，如僅設(shè)置2組混合式錨碇結(jié)構(gòu)則無法布置進(jìn)口岸拱圈懸臂節(jié)段所需的全部錨索，因而需額外布置一組預(yù)應(yīng)力錨碇結(jié)構(gòu)作為補充。

根據(jù)現(xiàn)場的實際地形地質(zhì)條件、兩岸永久結(jié)構(gòu)物的布置及通過反復(fù)計算得出的整體受力，將進(jìn)口岸0～1號節(jié)段扣索扣掛于交界墩中部，錨索錨固于進(jìn)口岸1號錨碇上;進(jìn)口岸2～5號節(jié)段扣索扣掛于交界墩蓋梁上部錨箱梁上，錨索錨固于進(jìn)口岸2號錨碇上;6～13號節(jié)段扣索分別扣掛于鋼扣塔的3層錨箱梁上，錨索錨固于進(jìn)口岸3號錨碇上。白甫河進(jìn)口岸錨碇布置如圖3所示，進(jìn)口岸錨碇結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)及工程量詳見表1。

出口岸0～1號節(jié)段扣索扣掛于交界墩中部，錨索錨固于出口岸1號錨碇上;出口岸2～5號節(jié)段扣索扣掛于交界墩蓋梁上部錨箱梁上，錨索錨固于出口岸2號錨碇上;6～10號節(jié)段扣索扣掛于鋼扣塔第1，2層錨箱梁上，錨索錨固于出口岸3號錨碇上;11～13號節(jié)段扣索扣掛于鋼扣塔第3層錨箱梁上，錨索錨固于出口岸4號錨碇上。白甫河出口岸錨碇布置如圖4所示，出口岸錨碇結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)及工程量詳見表2。

2.2 混合式錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計

混合式錨碇結(jié)構(gòu)常搭配兩岸永久結(jié)構(gòu)物進(jìn)行施工，可以在利用永久結(jié)構(gòu)物進(jìn)行受力體系轉(zhuǎn)換的同時充分利用結(jié)構(gòu)物自重，既為拱圈懸臂澆筑節(jié)段提供了充足的錨固力，又可降低拱圈施工時的臨時措施費，在白甫河管橋前期纜索吊實施中就已成功運用。在白甫河管橋拱圈錨固系統(tǒng)中，混合式錨碇結(jié)構(gòu)為兩岸的樁基及承臺、鎮(zhèn)墩等永久結(jié)構(gòu)物結(jié)合預(yù)應(yīng)力巖錨索束組成。在承臺或者鎮(zhèn)墩內(nèi)部設(shè)置巖錨索束，通過張拉預(yù)應(yīng)力巖錨索束，提前把承臺或者鎮(zhèn)墩錨固于岸坡上，拱圈施工時，錨索束通過承臺預(yù)留孔錨固于承臺或者鎮(zhèn)墩上，利用巖錨索束的預(yù)應(yīng)力再加上樁基承臺或者鎮(zhèn)墩自重來抵抗錨索束的拉拔力;以出口岸2號錨碇結(jié)構(gòu)為例，詳細(xì)設(shè)計如圖5所示。

白甫河出口岸因永久結(jié)構(gòu)物多，布置了4組混合式錨碇，在18，19，20號排架柱承臺及5號鎮(zhèn)墩處分別布置6，12，18束及20束巖錨索，巖錨索鎖定于結(jié)構(gòu)物前端上部，錨索鎖定于結(jié)構(gòu)物后端下部，通過結(jié)構(gòu)物自身抗壓強度完成受力體系轉(zhuǎn)換，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

2.3 新型預(yù)應(yīng)力錨碇結(jié)構(gòu)

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

白甫河進(jìn)口岸永久結(jié)構(gòu)物較出口岸少，因進(jìn)口岸2號錨碇無永久結(jié)構(gòu)物可供直接利用，所以只能利用巖錨索束來提供拱圈懸臂節(jié)段所需的錨固力。根據(jù)現(xiàn)場實際地形地質(zhì)條件，為便于后期拱圈施工時錨索束穿索以及巖錨索與錨索受力體系的轉(zhuǎn)換，同時充分考慮其他混合式錨碇所起到的作用，經(jīng)分析計算后，采用了一種適用于各類地形條件的輕便型錨碇結(jié)構(gòu)。該錨碇結(jié)構(gòu)由雙榀工字鋼組合而成，橫向工字鋼壓梁及縱向工字鋼錨梁構(gòu)成“井字架”結(jié)構(gòu)（詳細(xì)參數(shù)如圖6所示），壓梁置于邊坡外側(cè)，錨梁置于邊坡內(nèi)側(cè)，壓梁與錨梁皆預(yù)留有孔，利用巖錨索束把最外側(cè)的工字鋼（壓梁）錨固于邊坡上，而外側(cè)的工字鋼（壓梁）又把里面的工字鋼（錨梁）緊壓著，后期錨索束錨固于里面的錨梁上，這樣可以保證多束巖錨索為一束錨索提供充足的錨固力，確保了結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，進(jìn)而保證拱圈的施工安全。

2.3.2 優(yōu)點及施工工藝

白甫河進(jìn)口岸2號錨碇采用的新型預(yù)應(yīng)力錨碇結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點：①通過該轉(zhuǎn)換裝置，可將多束巖錨索及錨索布置于一個或多個錨碇體內(nèi)，能使多束巖錨索為單束錨索提供足夠的錨固力，且此結(jié)構(gòu)更加易于計算及控制;②通過巖錨索孔及錨箱的先行施工，便于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的安裝和調(diào)整，且安裝精度易于控制;③轉(zhuǎn)換裝置的安裝角度可隨意調(diào)整，不受拱橋兩側(cè)山體坡度的影響，同時后期如需新增巖錨索和錨索也易于施工;④不同于一般錨碇體系需要通過結(jié)構(gòu)物的抗壓能力來轉(zhuǎn)換受力，該錨碇體系主要通過工字鋼自身的剛度來實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換，因而可大大降低結(jié)構(gòu)物的混凝土澆筑量，進(jìn)而降低工程施工成本;⑤因?qū)嶋H施工時邊坡都不平整，為調(diào)整扣錨索角度，以更好地實現(xiàn)體系轉(zhuǎn)換效果，需澆筑一定工程量的貼坡混凝土，以使“井字架”錨碇結(jié)構(gòu)盡可能安裝在平整的結(jié)構(gòu)面上;⑥拱圈施工完成后，可拆除錨碇轉(zhuǎn)換裝置，以實現(xiàn)二次利用，若有加固邊坡要求，可僅拆除錨索，留下錨碇轉(zhuǎn)換裝置及巖錨索對山體邊坡起到加固作用。在該工程中只拆除了錨索，留下錨碇轉(zhuǎn)換裝置及巖錨索達(dá)到對山體邊坡進(jìn)行加固的目的。

該錨碇結(jié)構(gòu)制作相對簡單，施工方法也易于掌握，具體施工工藝流程如下：①對巖錨索鉆孔位置進(jìn)行放樣，按照設(shè)計鉆孔角度分別鉆進(jìn)，清孔驗收后將制好的巖錨索進(jìn)行安裝，留足張拉端長度，對錨固段進(jìn)行灌漿，灌漿一定要密實;②加工制作壓梁及錨梁，在相應(yīng)位置設(shè)置好預(yù)留孔，按照錨梁在下壓梁在上的順序焊接成互相垂直的“井字架”;③吊裝“井字架”至已搭設(shè)完成的鋼管架上進(jìn)行臨時固定，安裝時確保壓梁在外側(cè)、錨梁在內(nèi)側(cè)，且位置固定必須足夠精確，以保證后續(xù)巖錨索及錨索能夠順利穿過;④每根巖錨索外露端穿過壓梁上的預(yù)留孔，并用錨具進(jìn)行臨時固定，巖錨索處于邊坡混凝土的部分用套管進(jìn)行保護，套管用鋼筋進(jìn)行固定，以上工作完成后再澆筑邊坡混凝土，混凝土澆筑過程中要安排專人負(fù)責(zé)檢查“井字架”安裝位置是否發(fā)生移動，同時要注意錨梁與邊坡混凝土之間應(yīng)預(yù)留足夠的作業(yè)空間以供后期錨索施工;⑤邊坡混凝土養(yǎng)護至設(shè)計要求強度后，在壓梁上對巖錨索進(jìn)行張拉鎖定，徹底固定“井字架”，將壓梁及錨梁緊緊錨在邊坡混凝土上;⑥用錨具將錨索一端固定于錨梁上，再在扣塔上對稱張拉一端固定于錨梁上的錨索和扣掛于拱圈懸臂節(jié)段上的扣索，完成受力體系轉(zhuǎn)換。白甫河進(jìn)口岸2號錨碇縱斷面布置及施工情況如圖7～9所示。

3 錨碇結(jié)構(gòu)應(yīng)用成果

在拱圈施工、錨索及扣索張拉過程中對結(jié)構(gòu)物、鋼扣塔、錨碇結(jié)構(gòu)及拱圈變形均進(jìn)行了實時監(jiān)測，此外在拱圈合龍前的整個施工期還開展了日常監(jiān)測。在拱圈懸臂現(xiàn)澆施工的整個過程中，鋼扣塔頂部最大偏位為2.97 cm，出現(xiàn)在拱圈最大懸臂狀態(tài)下即13號節(jié)段拱圈混凝土澆筑完成后，滿足規(guī)范規(guī)定的最大偏位在5 cm范圍以內(nèi)的要求。鋼扣塔底部最大應(yīng)力為88.3 MPa，出現(xiàn)在鋼扣塔最大偏位狀態(tài)時，鋼扣塔最大應(yīng)力在其允許應(yīng)力205 MPa以內(nèi)。當(dāng)懸臂現(xiàn)澆拱圈6號節(jié)段完成時，此時拱圈所受拉應(yīng)力最大，出現(xiàn)在拱圈0號節(jié)段的上頂板位置，最大應(yīng)力為1.51 MPa，小于混凝土最大允許拉應(yīng)力1.9 MPa。錨碇結(jié)構(gòu)最大位移偏位為2 mm，出現(xiàn)在出口岸3號錨碇位置，發(fā)生在出口岸拱圈10號節(jié)段張拉完成后，在后續(xù)拱圈懸臂現(xiàn)澆過程中，出口岸3號錨碇偏位又逐漸變?yōu)?。上述監(jiān)測數(shù)據(jù)表明：管橋拱圈及錨碇結(jié)構(gòu)狀態(tài)正常，整個錨碇系統(tǒng)的安全性及合理性均得以驗證，說明錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，施工質(zhì)量良好，錨碇結(jié)構(gòu)安全可靠。目前，白甫河高大跨管橋拱圈已安全順利合龍，合龍時兩側(cè)拱圈高差僅相差5 mm，全橋拱圈線形也在設(shè)計預(yù)拱度線形±2 cm范圍之內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

（1）將管橋兩岸永久結(jié)構(gòu)物作為錨碇結(jié)構(gòu)的一部分，可以充分利用結(jié)構(gòu)物自重，在進(jìn)行受力體系轉(zhuǎn)換的同時還可以為拱圈懸臂澆筑節(jié)段提供充足的錨固力，且可以降低拱圈施工時錨碇系統(tǒng)的工程措施費，進(jìn)而降低了工程施工成本，提高了工程項目的經(jīng)濟效益。

（2）通過采用一種適用于各類地形條件的輕便型預(yù)應(yīng)力錨碇結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了錨碇系統(tǒng)易于計算、施工方便、精度可控、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和減少錨碇結(jié)構(gòu)混凝土工程量等諸多目的，在一定程度上還可以實現(xiàn)二次利用，實際應(yīng)用的經(jīng)濟效益較好;同時還確保了錨碇結(jié)構(gòu)及拱圈的施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度，對類似工程的錨碇結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹洪明， 李小東， 郭軍. 大跨度鋼筋混凝土拱橋斜拉扣掛法懸臂澆筑施工關(guān)鍵技術(shù)[J].? 施工技術(shù)， 2016， 45（4）：127-132.

[2] 付位勇.“V”型溝谷大跨度拱橋斜拉扣掛懸臂澆筑綜合施工技術(shù)[J].? 建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2018（7）：532-533.

[3] 于華. 拱橋斜拉扣掛懸臂澆筑施工關(guān)鍵技術(shù)[J]. 低碳世界，2020，10（5）：123-125.

[4] 陳裕波，朱良清，吳榜林. 預(yù)應(yīng)力錨索梁在懸索吊裝系統(tǒng)中的設(shè)計應(yīng)用[J]. 四川建筑科學(xué)研究，2016，42（2）：133-136.

[5] 劉斌洲.? 預(yù)應(yīng)力錨索在綽斯甲河大橋左岸主錨碇結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].? 四川水利， 2013， 34（6）：32-34.

[6] 倪紅. 鹽邊鳡魚大橋巖錨錨碇施工技術(shù)[J]. 低碳世界， 2014（9）：273-275.

[7] 周軍偉. 西江特大橋錨碇施工技術(shù)[J]. 科技與生活， 2011（6）：171-172.

[8] 劉秀敏，陳從新，肖國峰，等.? 西江特大橋巖錨錨碇的承載特性研究[J].? 巖土力學(xué)， 2013（1）：196-203.

[9] 王令俠.? 新建南廣鐵路西江特大橋臨時錨碇設(shè)計與施工[J].? 科技創(chuàng)新與應(yīng)用， 2014（9）：191-192.

[10] 胡騰飛.? 瀾滄江特大橋70t纜索吊機預(yù)應(yīng)力巖錨設(shè)計[J].? 橋梁檢測與加固， 2011（1）：26-29.

[11] 李曉明. 萬州長江二橋主纜錨固及連接系統(tǒng)設(shè)計[J]. 甘肅科技，2009， 25（10）： 100-102.

[12] 周外男.? 云南小灣大橋纜索吊機后錨碇設(shè)計[J].? 橋梁建設(shè)， 2002（6）：39-42.

（編輯：江 文）

Design and application of arch ring anchorage structure of Baifu river-crossing high and large span pipe bridge of Jiayan water conservancy project

REN Mingwu1，XU Qingsong2，TAN Jiuyue2

（1. Guizhou Water Conservancy Investment （Group） Co.， Ltd.， Guiyang 520001，China;? ?2. China Gezhouba Group Road & Bridge Engineering Co.， Ltd.， Yichang? 443002， China）

Abstract： In the arch ring construction of Baifu river-crossing high and large span pipe bridge of Jiayan water conservancy project， in order to provide sufficient anchoring force for cantilever casting segment of arch ring and reduce construction cost， according to the arrangement of the pile foundation and anchor block on both sides of the river and considering the actual terrain and geological conditions of the construction site， hybrid anchorage structure and new prestressed anchorage structure were adopted. At present the arch ring of pipe bridge has been closed safely and smoothly， the monitoring data during construction showed that the anchorage structure and arch ring of pipe bridge were in normal condition， showing that the design of hybrid anchorage structure and new prestressed anchorage structure was reasonable， the construction quality was good， and the structure was safe and reliable， which ensured the construction safety， progress and quality of the arch.

Key words： hybrid anchorage structure; prestressed anchorage structure; high and large span pipe bridge; arch ring