南水北調中線工程三里莊溝左岸排水渡槽槽身結構設計

□杜 征（四川大學水利水電學院）

1 基本情況

三里莊溝屬海河流域衛河水系內的一條小河道，位于太行山前沖洪積平原，從東北流向西南，屬季節性河流。溝道發源于輝縣市西部丘陵地區，在輝縣市三里莊村附近與總干渠相交。交叉斷面以上集面積1.63km2，溝長2.38km，平均比降1.91×10-2。

總干渠與三里莊溝交叉處為全挖方渠段，該段總干渠設計流量260m3/s，加大流量310m3/s，相應水位分別為99.46m和99.97m。渠道斷面要素為：渠底高程92.46m，渠道底寬15.50m，比降 1/20000，糙率 1.50×10-2，一級內邊坡 1∶2.00，二級邊坡1∶1.50；左、右岸一級馬道高程均為 101.47 m，寬度均為 5 m，總干渠運行維護道路設置在渠道右側。沿渠道開挖線向外13m范圍內左岸設防洪堤、防護林帶、截流溝和防護圍欄，右岸除不設截流溝外其他與左岸相同。

2 地質條件

三里莊溝位于河南省輝縣市百泉鎮三里莊南500 m處，工程區位于太行山山前沖洪積平原和華北平原過渡地帶，地勢東北高西南低，三里莊溝呈東北西南流向，溝底高程103.50～101.00 m，呈寬淺型，兩岸為耕地，地面高程106.60～108.50 m。工程區位于華北準地臺山西臺背斜的東南部，新構造分區為華北斷陷～隆起區太行山隆起東南部邊緣，區域斷裂構造空間展布以北東向為主，次為北西向。在勘探深度范圍內，場區上覆第四系粘性土、卵石，下伏上第三系砂巖、粘土巖。場區地震動峰值加速度值為0.20g，相當于地震基本烈度Ⅷ度區。

場區地下水類型為孔隙～裂隙潛水，含水層為第四系中更新統卵石、上第三系砂巖，地下水位標高85.07～85.23m。

場區地下水補給來源主要為大氣降水和側向逕流補給，排泄方式主要為側向逕流和人工開采。地下水化學類型為“HCO3-Ca”型；礦化度0.23g/L，屬淡水；總硬度16.68H°，屬硬水；pH值7.48，呈弱堿性；侵蝕性CO2含量為0，對混凝土無腐蝕性。

3 建筑物型式確定及工程總布置

3.1 建筑物型式確定

三里莊溝與總干渠交叉斷面處，總干渠設計水位為22.46m，加大水位為22.17m，渠底高程22.46m。三里莊溝溝底高程為103.50 m，高于總干渠各工況水位，因此根據地形條件，經分析比較后確定總干渠與三里莊溝交叉建筑物型式選用排水渡槽。

3.2 槽身斷面尺寸擬定

首先擬定槽身比降及不同的槽身寬寬，按明渠均勻流計算各種槽寬的水深～流量關系曲線及相應的進口后水位～流量關系曲線；再按寬頂堰計算各種槽寬的進口前水位～流量關系曲線；然后通過調洪演算確定各種槽寬不同頻率時的上游壅高水位。根據河道洪水大小、上游防洪要求、回水淹沒損失以及地形地貌條件等確定槽身設計斷面（寬×高）為4.00m×3.85m。

3.3 工程總布置

三里莊溝排水渡槽工程主要由槽身段、落地槽段、涵洞段、上游進口段和下游消能防沖段等5部分組成，建筑物全長177.20m。其中槽身段長54.80m,為下承式預應力桁架拱矩形槽結構,槽身下部中墩為雙柱單排架支承結構;落地槽段布置在槽身與涵洞之間，上、下游落地槽長度均為11.00m,橫向為矩形槽結構，與槽身斷面相對應，槽底凈寬4.00m，側墻高3.85 m;涵洞段布置在落地槽進出口，上游涵洞長2.00m，下游涵洞長5.60 m;進口連接段包括護砌段和漸變段兩部分，總長27.00 m;消能防沖段包括陡坡、消力池和海漫3部分，總長52.50m。

4 結構計算

4.1 槽身結構尺寸擬定

4.1.1 矢跨比及節間距選定

根據工程布置、水力計算成果、以及桁架拱的力學特性，初步擬定不同的桁架拱軸線長度、節間距、矢高進行內力計算，計算結果顯示：矢跨比越大，結構受力條件越好；桁架拱片的節間距越小，對結構受力越有利。但矢跨比過大對結構的穩定不利，給施工也帶來不便；桁架拱片的節間距過小，對曲桿發揮作用的限制也越大，從而對整個結構的內力特性起不利影響。故根據工程實踐，并考慮地形、施工條件、槽身結構型式及材料用量等因素，最后選定桁架拱軸線長度l＝26.40m、節間距b＝2.20 m、矢高f＝6.00m、矢跨比f/l＝1/4.40進行截面設計。

4.1.2 上弦桿節點坐標

桁架拱的每榀桁架均由上弦桿、下弦桿和豎桿組成。下弦桿為一水平直桿；豎桿由不等長的直桿組成；上弦桿為采用二次拋物線曲桿，拱軸方程，任一節點i的坐標用計算，傾角用計算，長度用計算。拱軸線各節點坐標詳見表1。

表1 上弦桿軸線節點坐標及長度計算表

4.1.3 桿件截面尺寸

根據桁架拱受力特點，從最佳受力角度考慮，上弦桿截面高度在滿足強度和構造要求的前提下宜采用較小值；下弦桿截面高度宜比上弦桿截面高度?。回Q桿截面高度宜小于或等于下弦桿截面高度；拱片各桿件截面寬度宜采用相同值。據此，初步擬定各桿件截面尺寸（寬×高）為：上弦桿40 cm×50 cm，下弦桿40 cm×40 cm，豎桿40 cm×40 cm，上橫系梁25 cm×30 cm，下橫系梁30cm×50cm。

4.2 荷載組合

作用于桁架拱上的荷載有結構自重、水壓力和活荷載，根據規范規定，左岸排水渡槽設計擬采用以下荷載組合：短暫狀況基本組合，即自重+50年設計洪水+活荷；偶然狀況偶然組合，即自重+200年校核洪水+活荷；短暫狀況短期組合，即自重+50年設計洪水+活荷。各種設計工況下的荷載組合及安全系數詳見表2。

4.3 桿件內力及節點位移計算

桁架拱為空間剛架結構，內力計算采用空間有限元程序ALGORFEAS（SuperSAP93）進行。

4.3.1 計算模型確定

桁架拱本身是高次超靜定結構，但對下部支承排架而言，因縱向桁架兩端是簡支橡膠支座而變成了軸對稱簡支結構，因此，利用結構、荷載的對稱性，取半跨桁架拱作為計算模型。

表2 排水渡槽結構計算荷載組合及安全系數表

4.3.2 桿件單元劃分

桁架的上、下弦桿與豎桿連接處以及豎桿與上、下橫梁的連接處均為節點，每兩個節點之間的桿件即為一個單元。

4.3.3 整體、局部坐標確定

按照ALGOR有限元程序規定，縱向桁架拱以4節點為原點，順渡槽水流方向為X軸，垂直水流方向為Z軸，垂直水面方向為Y軸。各桿件局部坐標軸均以節點編號從小到大，順桿件軸向為1軸方向；2軸方向橫桿指向整體坐標系下的＋y方向，豎桿指向整體坐標系下的－x方向；3軸與1、2軸呈左手螺旋關系，即2軸繞1軸端逆時針旋轉90°為3軸方向。

4.3.4 內力與節點位移計算

運行ALGORFEAS軟件可計算出各桿件在1軸、2軸和3軸方向內力值及各方向的節點變位。取小號端至計算截面間的桿段為脫離體，凡與局部坐標軸同向者為正，反之為負。

運用ALGORFEAS軟件計算的內力為標準值，按照《水工混凝土結構設計規范》第4.2.1條規定，對結構安全級別為Ⅰ級的結構及構件，其結構重要性系數取1.1；對應于持久狀況、短暫狀況、偶然狀況，其設計狀況系數可分別取1.00、0.95、和0.85。因此，內力標準值應乘以構重要性系數和設計狀況系數才是內力設計值。

4.4 主要構件的配筋計算

從內力計算成果看，桁架拱下弦桿為主要受拉構件，為限制裂縫開展寬度，采用預應力混凝土結構，其余構件均采用普通鋼筋混凝土結構?；炷翉姸鹊燃墳镃50，預應力鋼筋選用7φ5鋼絞線，普通鋼筋選用Ⅰ級和Ⅱ級鋼筋。

5 結語

三里莊溝排水渡槽工程是南水北調中線工程的一部分，其對于南水北調的全線貫通具有重要意義。經過方案的比選而選定的排水式渡槽較好地適應了三里溝莊的地質條件,槽身結構計算采用ALGORFEAS軟件計算，較好的模擬了渡槽槽身空間受力形態。本文從渡槽規模確定、槽身結構尺寸包括矢跨比及節間距、桿件尺寸等擬定，到荷載組合、計算模型確定、桿件單元劃分等，提出了計算步驟和方法供探討。