千陽縣千豐渠南干渠道渡槽設(shè)計(jì)淺析

李子珮李鋒劉偉

（1.長(zhǎng)安大學(xué)陜西西安710018 2.西安景天水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司陜西西安710018 3.渭南市東雷抽黃灌溉工程管理局陜西合陽715300）

千陽縣千豐渠南干渠道渡槽設(shè)計(jì)淺析

李子珮1李鋒2劉偉3

（1.長(zhǎng)安大學(xué)陜西西安710018 2.西安景天水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司陜西西安710018 3.渭南市東雷抽黃灌溉工程管理局陜西合陽715300）

本文通過對(duì)千豐渠南干渠渡槽設(shè)計(jì)中地質(zhì)條件、輸水結(jié)構(gòu)形式、渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定驗(yàn)算等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討分析，為同類灌區(qū)渠道渡槽設(shè)計(jì)提供參考。

水利工程;渡槽設(shè)計(jì);探索

1 概況

千豐渠灌區(qū)位于千陽縣西北部，涉及千陽縣草碧、水溝、寇家河、柿溝、城關(guān)五個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)22個(gè)行政村。灌區(qū)輸配水渠道由干渠、斗渠、農(nóng)渠三級(jí)固定渠道組成。南干渠干渠長(zhǎng)度21.18km,設(shè)計(jì)輸水流量1.0m3/s，控制灌溉面積14640畝。該區(qū)域在構(gòu)造上處于三個(gè)構(gòu)造單元的復(fù)合部位，主要斷裂帶為隴縣—草碧—岐山斷裂帶，此斷裂呈NW方向延伸為區(qū)域活動(dòng)性斷裂，因而形成了千河河道的現(xiàn)狀走向。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反應(yīng)普特征周期為0.35s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。工程區(qū)位于許營(yíng)地區(qū)，屬于千河一級(jí)階地內(nèi)，以沖積洪積的砂卵石層為主，其膠結(jié)性差，易松散，抗沖性低，千河河床蜿蜒曲折，游蕩不定，對(duì)兩岸的防洪減災(zāi)工作造成極大的困難。千河河岸屬Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土地基上，屬大厚度濕陷性黃土。從地質(zhì)條件分析中可以看出，該區(qū)域均以砂礫石地層為主，無不良地質(zhì)現(xiàn)象存在。其地質(zhì)條件比較理想，不存在地基塌陷或變形浸沒現(xiàn)象，整體穩(wěn)定性較高。

2 輸水結(jié)構(gòu)形式的選擇

2.1 輸水形式選擇

南干渠跨越溝壑，渡槽做為一種輸水方式，是渠道跨越溝壑的明流輸水建筑物。由于其水頭損失小，受地形地質(zhì)條件影響小，不易淤積，也方便南干渠所經(jīng)溝壑的交通和通航。在槽身支承結(jié)構(gòu)形式選擇上，目前渡槽支承結(jié)構(gòu)形式有雙排和單排，雙排架是由兩個(gè)單排架，中間以橫梁連接而成，屬空間結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜。A字形排架是兩片單排架的腳放寬，頂端連在一起而成的；單排架體積小，重量輕，現(xiàn)場(chǎng)澆筑和預(yù)制吊裝方便，雖然雙排架穩(wěn)定性好，適應(yīng)高度較大，但是其造價(jià)較高，施工較復(fù)雜。所以根據(jù)許營(yíng)段地質(zhì)和地形條件，該段渡槽采用單排架做為槽身支承結(jié)構(gòu)。

2.2 渡槽的位置選擇

渡槽的位置選擇是選定渡槽的中心線及槽身起止點(diǎn)的位置。在本渡槽中心線選定上，要考慮到以下幾個(gè)因素：

（1）槽址應(yīng)盡量選在地質(zhì)良好、地形有利和便于施工的地方，以便縮短槽身長(zhǎng)度、減少工程量、降低墩架高度；

（2）槽軸線最好成一直線，進(jìn)口和出口避免急轉(zhuǎn)彎，否則將惡化水流條件，影響正常輸水；

（3）跨越河流的渡槽，槽軸線應(yīng)與河道水流方向盡量成正交，槽址應(yīng)位于河床及岸坡穩(wěn)定、水流順直的地段，避免位于河流轉(zhuǎn)彎處；

（4）為了在渡槽或上、下游填方渠道發(fā)生事故時(shí)停水檢修，常常在進(jìn)口段或進(jìn)口前的適當(dāng)位置設(shè)置節(jié)制閘，以便與泄水閘聯(lián)合運(yùn)用，使渠水泄入溪谷或河道。

2.3 槽身橫斷面型式選擇

槽身斷面有矩形和半圓型上加直墻的U型斷面，矩形槽身施工方便，耐久性、抗凍性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，U型斷面與矩形槽身相比有水力條件好、縱向剛度大，省鋼材等優(yōu)點(diǎn)，但抗凍性差、不耐久，施工工藝要求高，如果施工質(zhì)量不高，容易引起表面剝落、鋼絲網(wǎng)銹蝕、甚至有漏水現(xiàn)象產(chǎn)生。結(jié)合許營(yíng)地段的實(shí)際情況，該次設(shè)計(jì)槽身斷面采用矩形斷面。

3 渡槽結(jié)構(gòu)的選擇

3.1 槽身縱向計(jì)算

南干渠經(jīng)過多座溝壑，需修5座渡槽，分別為貓兒溝渡槽、水溝渡槽、菜子溝渡槽、沙溝渡槽、澗河渡槽，用以解決該渠段輸水問題，由于該段就其槽采用矩形過水?dāng)嗝妫刹鄄诼嗜?.016，按照明渠均勻流計(jì)算槽內(nèi)正常水深。淹沒寬頂堰流公式計(jì)算渡槽進(jìn)口水面降落值Z，進(jìn)口水面降落為0.12m，渡槽出口水面抬升值Z，該值為0.04m，結(jié)合槽身水面降落等，確定渡槽進(jìn)出口高程，連接段長(zhǎng)度，完成槽身縱向設(shè)計(jì)。確定貓兒溝渡槽和沙溝渡槽設(shè)計(jì)槽長(zhǎng)20m，水溝渡設(shè)計(jì)槽長(zhǎng)30m，菜子溝渡槽和澗河渡槽設(shè)計(jì)槽長(zhǎng)40m，槽身節(jié)數(shù)分別為2節(jié)、3節(jié)和4節(jié)。上下游均與挖方渠道連接，槽身比降取1/1000，槽寬取值1.4m，槽身比降為1：1000.槽內(nèi)水深為0.66m，進(jìn)口和出口渠底水深為0.78。

3.2 渡槽槽身斷面設(shè)計(jì)

槽身設(shè)計(jì)每節(jié)長(zhǎng)10m，凈寬1.4m，凈高0.88m，拉桿高0.12m，槽身壁厚0.2m，槽身底部?jī)蓚?cè)設(shè)置邊縱梁，兩端設(shè)置端肋。伸縮縫采用橡皮止水，瀝青砂漿填縫。槽身頂部均鋪設(shè)蓋板，蓋板為厚0.1m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，無通行要求。

3.3 渡槽進(jìn)出口段設(shè)計(jì)

進(jìn)出口段的連接應(yīng)力求水流銜接良好，平順的流入流出，下游渠道不發(fā)生沖刷，水頭損失小，本設(shè)計(jì)采用長(zhǎng)扭曲面使渠道與渡槽連接。渡槽上下游渠道均為弧底梯形渠道，渡槽槽身為矩形型式水力銜接較好，進(jìn)出口段均不設(shè)置連接段，只設(shè)進(jìn)出口過渡段。進(jìn)出口漸變段均采用扭面，進(jìn)口漸變段長(zhǎng)度按確定為4.5m，出口漸變段長(zhǎng)度計(jì)算確定為5.5m。漸變段扭面采用M7.5漿砌石結(jié)構(gòu)，厚0.4m，與槽身銜接處進(jìn)行設(shè)止水。

3.4 渡槽支撐設(shè)計(jì)

根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃方案中擬定，渡槽的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為3級(jí)，所以渡槽的安全級(jí)別Ⅱ級(jí)，則安全系數(shù)為γ0=1.0，混凝土重度為γ=25kN/m3，正常運(yùn)行期為持久狀況，其設(shè)計(jì)狀況系數(shù)為ψ=1.0，荷載分項(xiàng)系數(shù)為：永久荷載分項(xiàng)系數(shù)γG=1.05，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)γQ=1.20，結(jié)構(gòu)系數(shù)為γd=1.2。縱向計(jì)算中的荷載一般按勻布荷載考慮，包括槽身重力（拉桿等小量集中荷載也換算為勻布的）、槽中水體的重力及人群荷載。其中槽身自重、水重為永久荷載,而人群荷載為可變荷載。槽身與兩岸連接處下部采用為M7.5漿砌石重力式支撐；考慮渡槽無通行要求，荷載較小，槽身下部支撐采用現(xiàn)澆C30鋼筋砼簡(jiǎn)支梁式單排架，排架下部基礎(chǔ)采用梁板式條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底部墊層為0.5m厚的砂礫石及厚0.1m的C10素混凝土。

4 槽身的穩(wěn)定驗(yàn)算

4.1 槽身的計(jì)算簡(jiǎn)圖及荷載計(jì)算

渡槽位于大風(fēng)區(qū)，輕型殼體槽身可能被風(fēng)荷掀下來。因此需驗(yàn)算槽身的整體穩(wěn)定性。渡槽最不利荷載的情況為槽中無水，槽身豎向荷載僅有N1，水平向荷載為風(fēng)荷P1.該設(shè)計(jì)渡槽槽身自重為

N1=1593/2=796.4 kN

風(fēng)壓力P1計(jì)算公式為：W=KKZW0

式中：K——風(fēng)載體型系數(shù)，與建筑物體型、尺度等有關(guān)，槽身為矩形斷面時(shí)，取k=1.2～1.3，空槽無水時(shí)取小值，滿槽水時(shí)取最大值；

KZ——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，本設(shè)計(jì)取;

W0——基本風(fēng)壓(kN/米2)。當(dāng)?shù)貨]有風(fēng)速資料,參照《工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中全國(guó)基本風(fēng)壓分布圖上的等壓線進(jìn)行插值酌定W0=3.5;

經(jīng)計(jì)算W=KKZW0=1.2×1.45×0.35 =0.609KN/m2，該數(shù)據(jù)滿足荷載數(shù)值要求。

4.2 抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

穩(wěn)定分析作用于渡槽上的力盡管其類型、方向、大小各不相同，但根據(jù)它們?cè)诓凵硌刂С薪Y(jié)構(gòu)頂端發(fā)生水平滑動(dòng)時(shí)所起的作用看，可以歸納為兩大類：一類是促使槽身滑動(dòng)的力，如水平方向風(fēng)壓力、動(dòng)水壓力等，稱為滑動(dòng)力；另一類是維持槽身穩(wěn)定、阻止渡槽滑動(dòng)的力，主要是在鉛直方向荷載作用下，槽身底部與支承結(jié)構(gòu)頂端之間產(chǎn)生的摩擦力，稱之為阻滑力。槽身是否會(huì)產(chǎn)生沿其支承結(jié)構(gòu)頂端發(fā)生水平滑動(dòng)，主要取決于這兩種力的比值，這個(gè)比值反映了渡槽的水平抗滑穩(wěn)定性，稱之為穩(wěn)定安全系數(shù)kc

式中：ΣNi——所有鉛直方向作用力的總和（kN）；

ΣPi——所有水平方向作用力的總和（kN），本設(shè)計(jì)中等于半跨槽身風(fēng)壓總和，

f——摩擦系數(shù)，與兩接觸面物體的材料性質(zhì)及它們的表面粗糙程度有關(guān)，支座與支承都為鋼板時(shí)取鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)f= 0.55；

KC＞[KC]≈1.2～1.3，所以滿足抗滑穩(wěn)定性要求

4.3 抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算

槽身受風(fēng)壓作用可能發(fā)生傾覆，抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算的目的是驗(yàn)算槽身空水受壓作用下是否會(huì)繞背風(fēng)面支承點(diǎn)發(fā)生傾覆，抗傾覆穩(wěn)定的不利條件與抗滑穩(wěn)定的不利條件是一致的，所以抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算的計(jì)算條件及荷載組合與抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算相同。抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：la——鉛直力到槽身支承點(diǎn)的距離；

ΣN——基底面承受的鉛直力總和；p——水平力的總和；

h1——水平力到槽身支承點(diǎn)的距離。

在此h1=1.92mla=2.38m

KC＞[KC]≈1.2～1.3

所以滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求.

5 結(jié)論

渡槽是灌溉單位輸送渠道水流跨溝壑地區(qū)的重要輸水形式，要保證其安全輸水，設(shè)計(jì)中對(duì)渡槽支撐結(jié)構(gòu)、中心線及槽身起止點(diǎn)的選擇雖然重要，但渡槽縱斷面、橫斷面和支撐設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)因素確至關(guān)重要，本文在千豐渠南干渡槽這些設(shè)計(jì)要素確定后，通過對(duì)渡槽荷載、抗滑穩(wěn)定以及抗傾覆穩(wěn)定進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)算，來驗(yàn)證槽身抗傾覆的穩(wěn)定性，希望能為該類渡槽設(shè)計(jì)方案提供借鑒與參考。陜西水利

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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