U型渡槽設計優化

李小東（焦作市引沁灌區管理局，河南 焦作454650）

U型渡槽設計優化

李小東
（焦作市引沁灌區管理局，河南 焦作454650）

小浪底北岸灌區工程總干渠穿越硯瓦河，架設渡槽作為輸水建筑物；渡槽架空高，工程質量和耐久性高，作為比選方案之一，擬采用現澆混凝土U型槽身，現澆混凝土排架支撐，鋼筋混凝土灌注樁；在施工工藝上，針對跨越山區河流的地形條件，采用鋼管模架支撐平臺，現場澆筑槽身施工方案。

U型渡槽；結構設計與優化；整體施工方案；小浪底北岸灌區

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.031

1 概述

小浪底北岸灌區硯瓦河支渡槽位于濟源市坡頭鎮境內，總干渠6+552～6+745處跨越硯瓦河支流，渡槽全長193m，縱坡1∶600，設計流量30m3/s。渡槽在交叉斷面以上流域面積35km2，防洪標準為20a一遇設計洪水。渡槽級別為3級，地震烈度為Ⅶ度。當地多年平均風速1.3m/s，最大風速17.7m/s。本文以硯瓦河支渡槽為例，對渡槽U型槽身、排架支撐總體方案的設計優化與施工方案進行探討，作為渡槽比選方案之一。

2 渡槽總體布置

該渡槽位于低山丘陵，兩岸地面高程216～223m，溝底高程185m，場區有小路通往鄉村公路，交通條件較便利。

硯瓦河支渡槽上接7號隧洞，下連8號隧洞，渡槽與隧洞通過20m暗渠相連。渡槽、暗渠、隧洞呈直線型，水流平順。渡槽與硯瓦河支流河道呈正交，硯瓦河支流在渡槽下游500m處匯入硯瓦河處，河勢平順。硯瓦河支渡槽上部結構工程主要由進口漸變段、槽身段、出口漸變段三部分組成，分別為C30鋼筋混凝土矩形流槽、C40鋼筋混凝土U型槽結構和C30鋼筋混凝土矩形流槽，全長193m。

3 渡槽上部結構

渡槽結構型式應根據渡槽級別、規模、地形、地質、地震、建筑材料、施工方法、環境條件、運行管理要求等因素，因地制宜、技術經濟比較后確定。

硯瓦河支渡槽上游側為黃土臺地，下游側為自然山坡，局部基巖出露。梁式渡槽整體受力好、造價低、施工維護方便；拱式渡槽和斜拉式渡槽，投資也相對較大；桁架式渡槽桿件制作較為復雜困難，混凝土弦桿桿端鉸接處受力復雜，容易開裂。因此初步選定硯瓦河支渡槽上部結構采用梁式渡槽[1]。

梁式渡槽在受力體系上，又可分為簡支渡槽和連續渡槽兩種?？紤]到硯瓦河支渡槽槽體結構斷面尺寸大、荷載大、沉降變形影響因素較為復雜，為減少不均勻沉降對槽體結構應力影響，降低施工難度，簡化結構受力條件的角度出發，選用渡槽槽身采用簡支結構。

3.1 槽身尺寸的確定

渡槽的跨度選擇應符合技術經濟合理的要求，鋼筋混凝土簡支梁結構的經濟跨度為8～15m；預應力混凝土結構經濟跨度為25～50m。初步擬定采用現澆鋼筋混凝土槽身，渡槽跨度選用15m。硯瓦河支渡槽平均高度20m，渡槽下交通路凈空滿足道路交通要求。

渡槽槽身斷面形式分矩型槽身、U型槽身、箱型槽身等，具體采用哪種截面形式要綜合考慮受力特性、渡槽規模、槽下凈空及施工等多方面因素決定。槽身正截面抗裂要求高，在槽身內壁表面不允許出現拉應力，槽身外壁表面拉應力應＜混凝土軸心抗拉強度設計值的0.9倍。小浪底北岸灌區總干渠現有南溝渡槽、仙口河渡槽采用箱型槽身；硯瓦河渡槽、大溝河渡槽采用矩型槽身。為考慮渡槽美觀、外形差異、經濟合理等因素，初步選用U型槽身，槽身寬深比為0.9。硯瓦河支渡槽設計過水流量30m3/s，根據水力學計算，槽身凈深3.6m，凈寬4.0m，渡槽設計水深2.8m，寬深比和整體受力較為合理。槽身內壁半徑2.0m，壁面厚0.25m，直段高1.6m；頂梁寬0.3m，高0.5m；渡槽頂部沿縱向每2m設置1根0.3m×0.3m的拉桿。槽身在支座斷面處為矩形為，厚0.55m厚，順槽身方向長0.6m。

3.2 槽身內力計算

U形槽身縱向應力計算時，需先求出截面形心軸位置及形心軸至受壓區和受拉區邊緣的距離y1和y2(見圖1、圖2)，再按下式計算。

圖1 截面形心軸位置及形心軸至受壓區邊緣的距離y1示意圖

圖2 截面形心軸位置及形心軸至受拉區邊緣的距離y2示意圖

對于較重要工程，按式(3)作抗裂驗算：

式(3)中，I0為換算截面慣性矩；y'2為換算截面形心軸至受拉邊緣距離。

U形槽身的縱向配筋一船按總拉力法計算，即考慮受拉區混凝土已開裂不能承受拉力，形心軸以下全部拉力由鋼筋承擔。

U型薄殼渡槽槽身橫向內力計算一般是將槽殼作為一次超靜定結構的鉸接曲桿框架結構，用力法先求出橫桿的多余未知力，然后利用靜力平衡方程計算各截面的彎矩和軸力。槽身各截面根據內力的不同，分別為偏心受壓和偏心受拉構件，一般以最大負彎矩截面和最大正彎矩截面最為計算控制截面，分別進行槽壁內側及外側的配筋及抗裂計算。

3.3 電算軟件的使用

河南省水利勘測設計研究有限公司熊啟鈞編寫的“U型薄殼渡槽結構計算程序”，界面直觀，應用簡便，對本次渡槽結構的優化起到很大的幫助[2]。

4 渡槽下部結構

渡槽槽身單跨長15m，渡槽下部支撐采用現澆鋼筋混凝土單排架。鋼筋混凝土單排架高度不超過20m，高于20m的采用組合墩方案，下部為重力墩，上部為單排架。排架柱順水流方向寬度b=0.8m，垂直水流方向高度h=0.5m，排架柱中心距離4.0m；排架橫梁間距4m，橫梁寬0.5m、高0.5m。

排架縱向（順水利方向）按中心受壓構件計算，并考慮縱向彎曲的影響；渡槽槽身按簡支梁設計，柱頂壓力分布按近似三角形分布考慮。渡槽排架在施工階段或運行階段會出現偏心受壓情況，需要校核這兩種情況偏心荷載荷載影響。排架橫向為單跨多層框架，節點水平荷載主要為風荷載，河道汛期洪水位較低，不考慮水壓力。為縮短槽跨，滿足槽身端肋支撐要求，降低排架頭的承壓應力，排架頭部伸出懸臂短梁，頂部寬1.3m。槽身與蓋梁之間設GPZ系列盆式橡膠支座。

5 基礎設計方案

硯瓦河支渡槽地貌單元屬低山丘陵，兩岸地面高程216～223m，溝底高程185m，場區有小路通往鄉村公路，交通條件較便利。硯瓦河支渡槽場區地層上覆第四系黃土和坡積碎石，下伏中三疊統二馬營組砂巖、泥巖，為土巖雙層結構，按巖性共分3個地質單元，自上而下分別為：黃土、碎石、泥巖、砂巖互層。工程區地下水賦存于三疊系基巖中，屬基巖裂隙水，埋深1.1～2.8m，對砼無腐蝕性。場區地質結構為土巖雙層結構，地層空間分布相對穩定，下部泥巖砂巖互層承載力高，上部黃土、坡積碎石承載力略低[3]。

鉆孔灌注樁基礎結構簡單，承載力較高，抗震性能好，沉降量小且荷載分布均勻，可適用于各種硬、軟土層，施工設備簡單、操作方便，可在多工作面同時展開，施工工期較短，故選定渡槽基礎為鉆孔灌注樁樁基礎。

根據硯瓦河支渡槽工程區的地質情況，樁基礎按端承樁進行設計。承臺順槽向寬1.6m，橫槽向長5.6m，厚度1m，承臺下設2根鉆孔灌注樁，直徑0.8m的鉆孔灌注樁，間距4m，灌注樁沉入新鮮巖石面應＞1m。

6 渡槽施工方案

鉆孔灌注樁工藝成熟，質量控制穩定，采用泥漿護壁施工法。該施工法過程是：平整場地→泥漿制備→埋設護筒→鋪設工作平臺→安裝鉆機并定位→鉆進成孔→清孔并檢查成孔質量→下放鋼筋籠→灌注水下混凝土→拔出護筒→檢查質量。

混凝土排架柱采用現場立模澆筑，以每個聯系橫梁為單元，分段澆筑。施工過程：鋼筋綁扎→模板安裝→混凝土澆筑→拆模與養護。

U型渡槽槽身施工：渡槽跨越河流為山區河流，岸線變化大，雖然附近有交通道路，但大型起重機無法進場和施工，故采用106mm鋼管、配合貝雷梁搭設施工平臺，然后在平臺上現場澆筑槽身。施工過程如下：平整場地→基礎墊層→架設鋼管→鋪設貝雷梁→安裝施工平臺→加載預壓→安裝外模板→綁扎鋼筋→安裝內模板→澆筑混凝土→拆模與養護。

7 結語

每個水利工程都要融入是當地自然環境的中，和附近自然組成和諧的風景。因此，在工程設計中，不僅要考慮技術先進、經濟合理，更應該考慮景觀藝術。在硯瓦河支渡槽的設計過程中，進行多方案必選也是必須的。本文以硯瓦河支渡槽為例，詳細分析了渡槽整體布置，推薦選取了該渡槽較適合的結構型式、斷面形式、跨徑布置與建議施工方案等，為工程實施作了許多優化研究。本方案作為渡槽必選方案之一，也可供其他工程渡槽設計方案擬定借鑒和參考。

【1】SL482—2011灌溉與排水渠系建筑物設計規范[S].

【2】熊啟鈞.灌區建筑物的混凝土結構計算[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

【3】崔鳳友.渡槽支撐排架設計示例[J].黑龍江水利科技，2010(5)：5-6.

Optimum Design of U Type Aqueduct

LIXiao-dong
（JiaozuoCityQinIrrigationManagementBureau，Jiaozuo454650，China)

Xiaolangdi irrigation project on North Main Canal crossing the river the tile inkstone, erecting aqueduct as waterconveyance structure; high aerial flume, engineering quality and high durability, as than choose one of the options, intends to use thecast-in-place concreteU-shape groove, cast-in-place concrete bent frame bracing and reinforced concrete pouring of concrete pile; inthe construction process, for across themountainous river terrain conditions, the steel formwork supporting platform, on-site pouringgroove constructionscheme.

Utype aqueduct; structural design and optimization; overall construction plan; theNorthBank of theXiaolangdiDamarea

TV672+.3

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1007-9467（2016）12-0113-03

2016-06-28

李小東（1972～），男，河南濟源人，工程師，從事水利施工技術研究。