淺析山區(qū)輸水工程渡槽方案設計與研究

苑 征

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，陜西 西安 710016)

隨著西安國際化大都市建設步伐加快及人口增長，城市用水量不斷攀升，2021年西安市主城區(qū)最高供水量已經接近設計能力極值，至“十四五”末，主城區(qū)供水缺口將達50萬 m3/d，加快建設城市重點供水項目迫在眉睫。李家河水庫輸水系統(tǒng)任務是為西安市城東區(qū)城鎮(zhèn)供水，每日供水量占西安城區(qū)總供水的10%～15%，水庫輸水總干渠工程是唯一一條向下游城鎮(zhèn)供水的輸水系統(tǒng)，一旦該輸水系統(tǒng)出現(xiàn)問題，將會對供水范圍內區(qū)域造成重大影響。

1 工程概況

西安市輞川河引水李家河水庫工程由水庫樞紐工程和輸水工程兩部分組成，水庫樞紐工程即李家河水庫；輸水工程由總干渠工程等四部分組成，主要任務是為西安市城東區(qū)城鎮(zhèn)供水。本次的復線工程為李家河水庫引水系統(tǒng)的一個組成部分，位于原總干渠的右側，設計流量6.55 m3/s，起點位于黃土嶺分水閘處，終點位于將軍嶺分水閘，全長7.71 km，主要建筑物由箱涵、渡槽、隧洞、節(jié)制引水閘、匯流池組成。其中，隧洞長5.42 km，采用城門洞形；渡槽共有5座，總長1.365 km，采用矩形結構，單跨徑30 m，共46跨；箱涵共7座，總長0.925 km，采用矩形結構；起點節(jié)制引水閘1座，末端匯流池1座。

2 跨沖洪溝建筑物選擇

本文主要探討山區(qū)輸水工程渡槽設計，因此依托李家河復線工程著重討論研究渡槽的型式選擇，工程其它主要建筑物不再進行論述。結合地形地貌，以運行管理方便、少征占地、投資低為原則，跨沖溝處可采用鋼筋砼渡槽、鋼渡槽，洞式倒虹吸、橋式倒虹吸進行比選。

1)鋼筋砼渡槽：跨越不連續(xù)5處沖溝處共設5座渡槽，跨溝總長度1.365 km。以1#渡槽、2#渡槽為例。1#渡槽總長390 m，每跨30 m，13跨，最大架空高度33 m；2#渡槽總長345 m，其中11跨每跨30 m，1跨15 m，最大架空高度51.3 m。根據(jù)水利計算、檢修要求以及上、下游渠道水面銜接，渡槽采用預應力鋼筋混凝土矩形型結構，在滿足全斷面機械施工的條件下，最小斷面尺寸為：底寬2.9 m，槽身高2.0 m，壁厚0.25 m。架空大于15 m的槽墩采用空心重力墩，小于15 m的槽墩采用實體墩，基礎采用采用混凝土灌注樁。

2)鋼渡槽：根據(jù)計算，槽身為鋼絎架結構，橫斷面為矩形，凈寬2.5 m，高2.0 m，跨度30 m。鋼板厚10 mm，上、下弦桿為2根，28a的槽鋼，渡槽的基礎為混凝土擴大基礎。

鋼結構具有施工快，施工簡單，強度高，結構輕，使用壽命長的優(yōu)點，缺點就是容易腐蝕，特別是在干濕交替的環(huán)境和潮濕環(huán)境中銹蝕最快，必須采取防腐措施，因為下游有人飲需求，其防腐標準還要滿足人飲的要求，而且在運行期，需定期維護。本工程區(qū)位于藍田縣境內，多年平均降水量720.3 mm，空氣相對潮濕，鋼結構腐蝕的概率較大，渡槽架空高度較大，底部防腐維護不易，維護費用相對較高，不適宜采用鋼渡槽。由于現(xiàn)場施工場地受限，鋼渡槽只能在專用場地焊接拼接完成后，需要大型吊裝設備采取提、運、吊的方式完成安裝，對現(xiàn)場作業(yè)面要求較高，對環(huán)境破壞較大。

3)洞式倒虹吸：結合現(xiàn)狀地形，洞式倒虹吸，最大水頭達70 m，豎井共2座。考慮本線路沿山而穿過，且坡度均較陡，為了盡量減少地面工程，不考慮沿坡明敷，考慮采用隧洞深埋式倒虹吸。洞式倒虹吸主要由引水閘、進口豎井、洞式倒虹吸、出口豎井、出口節(jié)制分水閘組成。該方案線路總長1.08 km，倒虹吸采用圓形。根據(jù)水力計算，采用鋼內襯，洞子的直徑為2.8 m，IV類圍巖段洞壁與鋼內襯之間采用鋼筋混凝土厚為40 cm；V類圍巖采用鋼內襯+鋼筋混凝土襯砌(40 cm)，鋼內襯與鋼筋混凝土之間填充微膨脹混凝土。支護方式采用鋼筋掛網噴混凝土10 cm，錨桿梅花型分布，且在IV類圍巖、V類圍巖設鋼拱架支護。

4)橋式倒虹吸：由進口檢修閘、進水池、跨河管線和出口防護段組成。橋式倒虹吸可以降低渡槽的槽墩高度，降低的原則：避免倒虹吸下的凈空高度影響樹木的生長；縱向拐點不宜太多。為了減小上部荷載，采用321型成品鋼橋，橋面寬4 m，跨徑為30 m，倒虹吸采用鋼管，鋼管直徑為2.8 m，壁厚為16 mm，管道連接方式采用焊接，外側采用鍍鋅鐵皮套管+硅酸鋁保溫棉(9 mm)?；A采用排架柱。

5)方案比較：(1)隧洞式倒虹吸為有壓流，為了減少其水頭損失，其流速相對較低，其進口處設豎井，泥沙會隨之帶入隧洞，清淤較為麻煩，需要放空隧洞內的水，另外檢修也較麻煩，投資較大，且出口無適宜的位置修建豎井或出水池；(2)橋式倒虹吸雖然降低了架槽的高度，但其上部結構的投資相對較大，其綜合投資較大，橋式倒虹吸一旦淤堵，需要人工經常輔助清淤，給管理帶來不便，根據(jù)陜西寶雞峽漆水河倒虹吸多年的運行效果來看(管道磨損、銹蝕、剝蝕、結構強度下降、底部、出口淤積、過流能力下降、進口壅水，最終被改建為渡槽)，其運行的安全性較渡槽較差，管理相對不方便，另外由于橋式倒虹吸為鋼結構，其運行15年之后，其防腐、保溫等設施將會逐漸老化，需要不斷維修；(3)鋼渡槽投資大、易生銹、定期需防腐維修、施工占用的場地大。(4)混凝土渡槽運行管理方便，投資相對較小，本工程跨河建筑物推薦采用混凝土渡槽。

3 建槽的條件及支撐結構型式選擇

渡槽常用的支撐結構型式為梁式渡槽和拱式渡槽，拱式渡槽適宜窄深山谷、兩岸地質條件良好，場地穩(wěn)定，承載力較好，有施工場地，本工程位于秦嶺山區(qū)，洪溝較寬，覆蓋層較厚，施工場地狹窄，結合本工程的地形、地質條件，上部結構宜采用梁式渡槽。

梁式渡槽有簡支梁式、雙懸臂梁式和單懸臂梁式三種型式。(1)單懸臂梁式一般只在雙懸臂梁式向簡支梁式過渡或與進出口建筑物連接時使用。單懸臂梁式槽身的懸臂長度不能過大，以保證槽身在另一端支座處有一定的壓力，而絕對不允許出現(xiàn)拉力；(2)雙懸臂梁式渡槽由于懸臂的作用，其跨度可以增大，跨度較小則可節(jié)省鋼材用量，但當懸臂端部變形或地基產生不均勻沉降時，接縫將產生錯動而使得止水容易被拉裂，另外，根據(jù)已建工程的經驗，雙懸臂梁式槽身在支座附近容易產生橫向裂縫；(3)簡支梁式槽身接縫止水構造簡單，但跨中彎矩較大，底板受拉對抗裂防滲不利，但預應力梁式渡槽，其長度可以達到20～50 m。從安全的角度考慮，本設計采用簡支梁式槽身。

4 結語

本工程為李家河水庫輸水工程的一部分，即李家河水庫輸水總干渠的復線，復線工程的建設不改變李家河水庫工程的總體布局，不改變其引水規(guī)模及工程任務。其主要的功能是增加總干渠輸水的安全性，提高下游城鎮(zhèn)供水的保證率。山區(qū)輸水工程的線路及型式往往至關重要，直接影響工程的方案和工期選擇。經過兩年的工作，本工程已通過可行性研究和初步設計審查，目前正進入施工階段設計，工程的早日開工不僅可以解決李家河輸水總干渠事故檢修期間的供水，提高供水工程的安全性，還充分利用了水資源，具有顯著的社會效益。