特大型輸水工程跨河梁式渡槽若干關鍵技術問題探討

沈鳳生

（國務院南水北調工程建設委員會辦公室 北京 100038)

1 概述

輸水渡槽具有水頭損失小、工程運行維護方便等優勢，在輸水工程中廣泛采用。作為特大型輸水工程的南水北調中線一期工程總干渠（以下簡稱中線總干渠)采用渡槽形式跨越天然河道的有26座，其中梁式渡槽19座、涵洞式渡槽7座。當渡槽的梁底高程高于河道校核洪水位 0.5m及以上時，可以采用梁式渡槽，梁式渡槽槽身不擋水。當渡槽的梁底高程低于河道校核洪水位0.5m并仍需要采用渡槽輸水時，一般采用涵洞式渡槽，涵洞式渡槽上部槽身輸送渠水，下部涵洞宣泄河水，槽身可部分擋水；擋水高度須考慮上游允許壅水高度和河道通過校核洪水時渡槽自身的安全。中線總干渠梁式渡槽以及涵洞式渡槽基本情況及施工方式分別見表1和表2。

梁式渡槽經濟跨度大，槽身普遍采用三向預應力鋼筋混凝土結構，槽身結構形式有矩形和U形兩大類。矩形渡槽還分單槽、雙槽和三槽結構，有的矩形渡槽的槽壁和槽底采用肋板結構，但多數為厚度漸變式板結構。施工方式有滿堂紅現澆、造槽機現澆及預制和吊裝三種。梁式渡槽槽身結構復雜、承受荷載大、跨度多為30m和40m，其設計、施工技術是中線總干渠典型的關鍵技術問題。涵洞式渡槽的設計、施工技術相對簡單，均采用普通鋼筋混凝土結構、滿堂紅現澆施工。

梁式渡槽槽身結構設計和施工難度大，需要專門研究的難題多，但至今尚無梁式渡槽專用行業或國家相應的技術標準，在中線總干渠建設期間，在建設主管部門提出設計技術規定的基礎上，通過建設過程中的不斷探索，基本形成了較為完整的設計和施工技術成果和經驗。本文主要就中線總干渠梁式渡槽槽身的設計和施工所涉及的若干關鍵技術問題進行探討。

2 關鍵技術問題的探討

梁式渡槽槽身本身自重大，且水體重量往往大于本身自重，結構受力復雜，因此中線總干渠梁式渡槽槽身結構均采用了簡支形式支撐于槽墩。渡槽混凝土均采用 C50混凝土，抗滲等級W6～W8，抗凍標號 F150～F200。梁式渡槽設計和施工中需要解決的技術難點很多，本文重點就槽身結構應力控制標準；槽身結構應力計算；設計工況及溫度等荷載的確定；渡槽的特點及渡槽型式的選擇；預應力設計和施工；槽身混凝土施工澆筑方式等問題進行分析和探討。

表1 梁式渡槽基本情況

表2 涵洞式渡槽基本情況

2.1 槽身結構應力控制標準

結構應力控制標準關乎槽身斷面設計以及施加預應力的大小。為了保證渡槽結構具有足夠的耐久性，要求在任何荷載組合下槽身過水槽壁表面不允許出現拉應力，槽身外壁表面拉應力不大于混凝土軸心抗拉強度設計值的 0.9倍（C50混凝土為1.7MPa)。

上述要求為正截面應力的要求，較現行《水工混凝土結構設計規范》的“嚴格要求混凝土不出現裂縫”的相應要求有所提高。除上述明確規定外，渡槽結構斜截面應力應該符合現行規范的要求，即對于過水槽壁，應按照“嚴格要求混凝土不出現裂縫”的相應要求，斜截面主拉應力不大于混凝土軸心抗拉強度標準值的 0.85倍，即2.24MPa（C50混凝土)；對于非過水槽壁，應按照“一般要求混凝土不出現裂縫”的相應要求，斜截面主拉應力不大于混凝土軸心抗拉強度標準值的 0.95倍，即 2.52MPa（C50混凝土)；對于斜截面主壓應力，無論是過水槽壁還是非過水槽壁，均需要滿足不大于混凝土軸心抗壓強度標準值的0.6倍的要求，即19.44MPa（C50混凝土)。

上述應力標準在考慮瞬時溫度和位于強震區的輸水渡槽情況下由于可能出現局部應力偏大現象，實現難度相對較大。

2.2 槽身結構應力計算

渡槽結構復雜，其結構計算一般采用結構力學法和有限元法相結合。結構應力計算中一般也不考慮支座不均勻沉降產生的影響。

結構力學法多采用橫向、縱向兩個方向進行結構簡化來分別進行計算。橫向計算一般取一個拉桿間距，底板（底肋)、側墻（側肋)、中墻（對于多槽情況)、頂部拉桿等形成一個矩形（或弧形)閉合框架，框架承受一個拉桿間距范圍內的水壓力、自重等荷載。縱向計算時，將整個渡槽或渡槽的中墻或側墻簡化為簡支梁進行計算，簡支點為支座，橫向計算時的支座反力作為集中荷載加載在這個簡化的簡支梁上。也有將渡槽縱、橫向分別離散為平面桿件單元，采用桿件有限元來進行結構力學計算。結構力學計算無法考慮溫度對結構應力的影響。

渡槽結構應力一般需要采用三維有限單元法進行應力復核。有限元復核計算中需要按照運行工況的各種可能組合進行詳細的計算分析，并需要考慮溫度荷載在內的所有荷載。溫度工況結構應力計算成果由有限元計算法得出。

2.3 設計工況及溫度等相關荷載

設計工況主要為空槽、設計水位、加大水位及滿槽情況等基本運行狀態下，與溫度、地震、人群、風、冰等荷載不同組合。預制吊裝渡槽需要考慮吊裝、以及運送渡槽荷載等情況。雙槽或三槽一聯的渡槽還要考慮空槽和滿槽同時存在的檢修工況。由于渡槽應力的復雜性，對于三槽一聯渡槽，設計要求只考慮中槽一個槽或兩側槽同時檢修的對稱工況，即在實際運行中這種渡槽檢修時不允許出現渡槽非對稱受荷的情況。

為有效減小地震動力反應，渡槽一般安裝減震支座，據試驗研究成果表明，地震時，減震支座可有效減小地震力向槽身傳遞，因此渡槽均采用減震支座。中線總干渠沿線地震基本烈度不高，需要進行抗震設計的梁式渡槽有9座，其中有 2座渡槽抗震設計采用地震峰值加速度0.15g， 7座渡槽抗震設計采用地震峰值加速度0.1g。渡槽抗震設計分析一般采用擬靜力結構力學法或三維動力有限元法，有條件的還采用了振動臺模型進行試驗研究。雖然通過研究表明，渡槽采用減震支座可提高渡槽上部結構抗震能力，但目前出于安全儲備考慮均未直接計入支座的減震作用；動水壓力大致符合韋斯特伽特剛性結構面假設下的動水壓力附加質量模型規律，采用有限元分析計算時，可直接采用附加質量法來考慮動水壓力對渡槽槽身的作用。

冰壓力以及溫度荷載隨著渡槽所處位置不同，取值不同。

冰壓力計算一般按照《水工建筑物抗冰凍設計規范》計算渡槽內水體結冰厚度，按照《水工建筑物荷載設計規范》計算渡槽內冰蓋溫度上升時冰蓋內產生的水平膨脹壓力。

渡槽槽壁溫度應力由輸水時槽壁內外溫度差引起，或空槽時渡槽槽壁陰、陽面存在的溫度差引起，可采取保溫措施，以減小瞬態溫度差引起的不利影響。實際渡槽設計計算中，槽壁溫度差一般選取月平均或旬平均溫差來計算。槽壁外側面溫度與大氣溫度及太陽照射有關，渡槽內側面溫度與輸水水體的水溫有關。經設計計算，黃河南的梁式渡槽冬季輸水渡槽內外壁溫差取5.7～8℃，夏季輸水渡槽內外壁溫差取-5.8～-8℃；黃河北的梁式渡槽冬季輸水渡槽內外壁溫差取 14℃，夏季輸水渡槽內外壁溫差取-7℃（陰面)、-12～-13℃（陽面)；空槽內外壁溫差-5℃（陰面)和5℃（陽面)。中線總干渠渡槽設計中，為有效降低渡槽的溫度應力，確保渡槽運行期應力長期滿足設計要求的應力控制標準，不少渡槽外壁和底部采取了保溫措施以有效削減作用在渡槽上的溫度差；有的設計單位要求通過調度運用，避開夏季高溫時段或冬季低溫季節檢修。

2.4 渡槽的特點及渡槽型式的選擇

矩形渡槽和U形渡槽各有優缺點。首先，從結構布置角度來看，U形渡槽結構輪廓圓滑，結構體型為漸變過渡型，局部應力集中問題相對較少；矩形槽斷面側墻與底板結合部大致為直角，存在局部應力集中問題，但相對來說，結構斷面較大。總體來說，U形槽和矩形槽兩種結構型式均有整體性好，剛度大，受力明確等優點，均可通過合理配置預應力束改善槽體結構的應力水平，使渡槽應力滿足結構應力控制標準。其次，從預應力設計布置來看，縱向預應力束，U形槽一般采用直線束，槽端剪力只能采用增加環向預應力束的方式來解決；而矩形渡槽側墻（中墻)內的預應力束，可根據主應力跡線彎起，由此提高預應力效果，減少預應力束用量。橫截面方向的預應力束，U形槽按環向布束，錨具少，并可直接在槽頂張拉，無需專門的施工平臺，而矩形槽側墻（中墻)和底板需分別布束，錨具多、底板預應力束張拉需專門搭建施工平臺。第三，從施工角度來看，U形渡槽重量輕，同規模渡槽相比，其重量一般為相應矩形渡槽重量的60%。混凝土、鋼筋及鋼絞線等材料用量相對要比矩形渡槽少。但U形槽模板制作難度大，現澆時多采用造槽機，預制時采用架槽機，采用這兩種施工方案，可減少占用河床時間，但施工設備所需代價較高。采用造槽機時，澆筑混凝土過程中槽體模板變形對于槽身混凝土澆筑質量的影響不可小看。矩形槽多用于滿堂紅現澆，施工立模支撐結構較大，槽身預應力錨索需分別進行縱向、橫向和豎向3個方向的張拉施工，為不影響河道行洪，施工工序需在一個枯水季完成，施工工期要求高。當槽墩較高（如雙洎河渡槽)，采用滿堂紅支架施工難度較大時，矩形渡槽也可采用造槽機，但投資相對較大，且由于渡槽自重大，混凝土澆筑質量同樣會受到槽體模板變形的影響。第四，從對氣候適用性來看，由于北方地區冬季寒冷，U形渡槽相對矩形渡槽槽壁較薄，最小槽壁厚度一般僅為35cm，在溫差大、抗凍融等耐久性方面要求高的條件下，如不采取附加措施，U形渡槽耐久性不如矩形渡槽。第五，從投資來看，一般矩形渡槽均要比U形渡槽的綜合投資略大。采用預制或采用造槽機現澆等一次性投入較大的施工方式進行建設時，還需要綜合比選投資。

總體來說，渡槽型式的選擇，包括矩形渡槽選用單槽一聯、兩槽一聯或三槽一聯，均需要從工程建設條件的方方面面，根據實際情況予以綜合考慮和比選。

2.5 渡槽預應力設計和施工

采用合適的渡槽預應力設計和施工技術十分重要，關系到工程的結構安全和耐久性。

預應力配筋中，除有的矩形渡槽豎向預應力筋采用高強螺紋鋼筋外，一般均采用高強低松弛鋼絞線。除湍河渡槽環向預應力采用無粘結預應力方式外，其它所有渡槽的預應力筋采用有粘結預應力方式。為確保預應力定位的準確、可靠，設計要求施工準備時直線段預應力錨索波紋管定位每 0.5m設置一個固定點，曲線預應力錨索波紋管定位每 0.3m設置一個固定點。預應力錨索設計張拉控制應力一般取0.7倍預應力鋼絞線（鋼筋)強度標準值，張拉施工時，可以超張拉，但最大張拉力不得超過0.8倍預應力鋼絞線（鋼筋)強度標準值。張拉端錨具變形及預應力內縮值、鋼絞線（鋼筋)與孔道邊壁之間的摩擦引起的損失、孔道偏差等參數需要根據規范要求選擇，并在現場進行試驗驗證。為有效減小預應力張拉損失，不少渡槽設計中在渡槽槽身兩端設置混凝土后澆帶，以保證在渡槽縱向實施兩端同時張拉、分別鎖定。但后澆帶混凝土澆筑施工中應重視一、二期混凝土結合面的施工質量，必要時采取合適的防滲措施。

渡槽預應力設計中，由于單個渡槽預應力筋布置不僅十分復雜，且數量巨大，需要通過詳細的分析計算，根據施工方式以及有關規程規范的要求合理確定渡槽的張拉程序，并在施工中嚴格執行。預應力筋張拉每級加載后，應同步量測其伸長值，鎖定后應量測預應力筋的回縮量和滑移量。預應力筋張拉結束后，應檢查預應力保持是否達到要求，未達到要求的，應補償張拉；無法進行補償張拉的還應采取其它可靠的措施。

為確保渡槽的耐久性，需要嚴格按照有關規定和要求進行預應力孔道的灌漿設計和施工。孔道灌漿前，應檢測預應力錨索回縮值是否滿足設計要求。灌漿材料要求采用低堿硅酸鹽水泥或低堿普通硅酸鹽水泥，強度不低于結構混凝土設計強度；水灰比一般不大于0.3；灌漿材料可根據需要添加專用的添加劑，但添加劑中應不含有氯鹽、亞硝酸鹽或其他對預應力筋具有腐蝕性的化學成份，減水劑應采用高效減水劑。孔道灌漿需要采用真空輔助壓力灌漿工藝，即采用一端壓漿另一端抽真空的方法；峰谷形曲線孔道，峰頂應設置排氣孔，配合排氣；預應力錨索水平布置時，則由張拉端灌漿孔壓漿，固定端排氣孔抽真空，兩端張拉的可根據情況布置；豎向布置時，則由張拉端灌漿孔抽真空，固定端排氣孔壓漿。為保證壓漿施工質量，壓漿施工中應按“四個要求”嚴格執行，即要求控制好灌漿漿液的水灰比；要求控制進入孔道的灌漿量；要求做好出氣孔和檢查孔的檢查工作；要求檢查孔道充填密實情況。

2.6 槽身混凝土施工澆筑方式

中線總干渠梁式渡槽施工采用了普通滿堂紅支架施工法、預制吊裝施工法、造槽機現澆施工法等3種施工方法。

普通滿堂紅支架施工法使用最為普遍，只要施工安排能滿足度汛要求，一般這種施工方法往往相對比較經濟，因而是工程建設的首選。預制吊裝施工法以及造槽機現澆施工法可以不受度汛的影響，預制吊裝施工法還有澆筑質量控制容易、施工周期短等優點，但預制吊裝法受到架槽機、運槽機等吊裝容量的限制，并需要加大槽墩寬度、復核運送渡槽時已就位渡槽的承載力；造槽機現澆施工法存在造槽機在澆筑過程中模板出現持續變形可能帶來的澆筑質量不可控的問題等。因此渡槽各種施工方法各有優缺點，都需要根據現場實際情況來綜合比選合理選取，并都需要采取有針對性的措施來確保（井群干擾系數，利用此法核算得 2011年取水量他不同水源結合灌溉面積欄，比如揚黃水（客水)渡槽施工建設的進度和質量。

不管采用什么施工方法，槽身混凝土澆筑時均需要采取嚴格的溫控措施，以防槽身混凝土出現溫度裂縫。

2.7 其它有關問題

渡槽撓度以及屈曲穩定性往往遠高于設計要求。渡槽施工建設中應重視渡槽槽身之間伸縮縫止水的設計和施工技術。

3 結束語

中線總干渠已經建設 19座大型梁式跨河渡槽，其中石家莊至北京段工程的3座梁式渡槽已經經歷了5年多的輸水考驗，工程運行正常，說明現有梁式渡槽槽身的設計方法和設計標準總體合理。下一步，中線總干渠全線通水后，在進一步總結渡槽運行經驗和分析原型安全觀測數據的基礎上，還需要深化溫度、地震等荷載作用下渡槽工作性態的研究工作，優化渡槽的設計和施工方法。

1.《水工混凝土結構設計規范》（SL 191-2008).中國水利水電出版社，2009年5月。

2.《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL211-2006).中國水利水電出版社，2007年2月。

3.《水工建筑物荷載設計規范》（DL5077-1997).中國電力出版社，1998年3月。

4.南水北調中線建設管理局.《南水北調中線干線工程預應力設計、施工和管理技術指南》.2012年4月。