石門水庫瀝水溝渡槽震后改建工程設計探析

王　棟　楊憲元

（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

石門水庫瀝水溝渡槽震后改建工程設計探析

王棟楊憲元

（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

本文在闡述石門水庫瀝水溝渡槽現狀以及四川汶川地震對其造成影響基礎上，分析了工程改建的必要性，通過方案比選，最終確定方案為新修變截面二次拋物線拱式渡槽，運用結構力學和三維有限元相結合的方法進行了方案設計、樁體變位、地基應力復核等工作，有效地指導了工程設計；其設計方法和理念在其它類似渡槽工程中有實際的參考價值。

渡槽；震后改建；方案設計

1　概況

瀝水溝渡槽位于陜西省漢中市石門水庫灌區東干渠2.1km的瀝水溝溝口，是東干渠渠首的重點建筑物，渡槽原設計輸水流量30m3/s，渡槽全長214.1m，最大建筑高度43.3m，控制著下游灌溉面積27萬畝，瀝水溝渡槽按3級建筑物設計。原渡槽全部采用了預制裝配式輕型結構，上部結構采用鋼筋砼槽箱，其為迭合式變截面“U”型薄殼預應力砼結構，最大跨度17.1m，下部結構采用排架，排架采用預制裝配輕型鋼筋砼雙肢和單肢型式。工程區位于漢江盆地北緣，屬巴山弧形構造體系西部，根據《中國地震動參數區劃圖》標準，工程區地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應譜特征周期為0.45s，相應的地震烈度為Ⅶ度［1］。瀝水溝渡槽建成于1972年，其一直發揮著重要的社會經濟作用，經多年運行，渡槽混凝土局部碳化、鋼筋銹蝕，結構變位、沉降明顯，排架裂縫、承載力不足；特別是2008年5月12日，四川汶川發生8.0級大地震，地震及其后續余震波及漢中市，其對瀝水溝渡槽產生了比較嚴重的破壞：①渡槽槽身中心軸線偏差測量值最大達9.95cm；②排架柱身裂縫較為普遍，尤其柱接頭上下較為集中。由鑒定報告知槽箱在通過16m3/s流量時渡槽晃動劇烈，已不能正常行水運用；渡槽出現了結構安全問題，經各級部門調查分析，瀝水溝渡槽被水利部列為震損工程，為保證農田灌溉，對其進行改建十分必要。

2　工程地質

渡槽位置地處秦嶺南麓的瀝水溝匯入褒河處，溝口地層主要為前寒武系綠泥石絹云母系千枚巖和第四系松散地層。渡槽可利用承載巖層為千枚巖，其呈灰黑色，夾有絹云母和石英巖脈，片理發育，呈互層狀，巖性軟弱，具有絲絹光澤，有滑感，遇水易軟化，風化后見水成泥狀，力學強度低。更為復雜的是在千枚巖表、中層分布有傾倒體，傾倒體的形成是由于千枚巖巖層走向幾乎與溝道平行，層理近于直立，其上部厚約10m～20m的巖層，在外力和自重作用下，分別向兩岸瀝水溝傾倒，傾倒后的巖石（簡稱傾倒體）片理間發生了相對錯動，變的破碎松軟，承載力很低，僅為0.3 MPa。

綜上所述，工程區地質條件比較復雜，給工程設計帶來了很大的難度。

3　渡槽改建方案確定

在設計過程中提出以下兩種改建方案。

（1）原址渡槽加固方案

此方案對原渡槽進行加固，包括槽身段及上下游連接段，槽身段長160.54m，進口連接段長26m，出口連接段長5.2m。槽身段加固原則為：排架采用空心墩包裹加固，上部槽箱拆除置換，下部基礎井柱新建。

（2）新修渡槽改線方案

此方案在原渡槽上游24m處溝道新建一渡槽。新修渡槽在上游用進口蓋板涵、隧洞，下游用出口蓋板涵、漸變段、隧洞分別與東干渠進行平順銜接。

對以上兩種方案，從改建長度、改建方式、施工安全、施工難度、灌溉影響、工程投資方面進行綜合比較，認為原址加固方案施工難度及施工安全風險較大，工期保障風險大，對下游灌區灌溉影響較大；而改線方案能很好地解決加固方案存在的安全、工期等方面的風險因素。

因此瀝水溝渡槽震后改建工程最終確定的方案為新修渡槽改線方案。

4　新修渡槽設計

4.1渡槽體型

設計采用拱式渡槽，由于設計流量達到30m3/s，拱上荷載大，為提高渡槽的整體穩定性，拱圈設計為矩形截面板拱型式，共布置3跨，每跨43m，槽身全長169m，拱圈采用變截面二次拋物線結構型式，拱頂厚度0.8m，拱腳厚度為1.20m，拋物線方程為Y=X2/（2×18.49），矢跨比為1/3.44（矢高12.5m，跨徑43m），拱圈寬度結合上部排架及槽箱布置需要，確定為5.65m，為C30鋼筋混凝土現澆結構［2］。

拱上排架高度1.82m～8.69m，采用單排架結構型式，為C25鋼筋砼現澆結構，排架以拱頂為軸線對稱布置。考慮拱圈受力均勻等因素，確定排架間距為6.6m，排架柱斷面尺寸為0.6m×0.4m（縱向×橫向）。

排架上槽箱為C30鋼筋砼箱型結構，結合拱跨布置及拱圈受力，槽箱跨度為6.6m。經水力計算和結構計算，確定斷面尺寸4.2m× 3.0m（寬×高），底板襯砌厚度0.33m，側墻襯砌厚度0.25m，頂板襯砌厚度0.2m。

為加強槽身下部支撐結構整體穩定性，主拱圈與拱座墩臺之間采用剛性連接，為無鉸拱結構，3跨渡槽兩端共布置2個邊墩和2個中墩。具體體型見圖1。

4.2渡槽特點

新修渡槽有以下4個特點：

（1）渡槽較高；渡槽中墩底部地面到渡槽頂高度為41m；

（2）工程區地質條件較差；巖層為千枚巖，更為復雜的是在千枚巖表、中層分布有傾倒體；

（3）拱式渡槽荷載較大；渡槽設計流量30m3/s，拱端合推力達12080KN，為了盡量減小拱端推力，設計中拱圈采用變截面二次拋物線結構型式，拋物線方程為Y=X2/（2×18.49），矢跨比為1/3.44（矢高12.5m，跨徑43m）；相比同類工程，矢跨比比較大，以期盡量減少拱端水平推力。

（4）采用大直徑斜樁；為適應較大的拱端合推力，基礎采用樁徑2.7m、長度18m、傾角為50.73°的大直徑（與水平線夾角）斜樁抵抗該推力。

4.3大直徑樁基礎設計

根據總體布置，兩側邊墩基礎均位于進、出口邊坡傾倒體上，邊墩采用C20混凝土大體積9.0 m×8.1m×7.0m（橫向×縱向×高度）重力墩。墩底置于全風化下限，且在傾倒體上，基礎條件差，承載力很低，必需對兩岸邊墩基礎采取工程措施以抵抗拱端水平推力及豎向荷載作用。

考慮到墩底基礎置于全風化傾倒巖體上，以及拱端對基礎有較高要求的特點，承載力計算時，豎向承載力和水平承載力由布置的大直徑豎直樁和斜樁承擔，樁體穿透傾倒體，置于較完整的弱風化基巖之上，既不破壞傾倒體的平衡，又可滿足承載力（弱風化地基極限阻力標準值為2400 KPa）的要求。各工況的拱端合力和拱端推力傾角（與水平線夾角）如表1。

經水平及豎向承載力計算，上下游邊墩基礎底面各需布置2根直徑2.7m豎直樁，長度分別為18.0m、22.0m；各布置2根直徑2.7m的斜樁，長度均為18m，傾斜角度取綜合值，最后核定為50.73°。樁體均穿透傾倒巖體，端部置于弱風化基巖上，斜樁開挖采用人工挖孔，C20鋼筋砼澆筑。

4.4有限元計算

圖1　渡槽體型圖

表1　各工況拱端推力表

圖2　三維模型圖

圖3　不同巖性分布圖

圖4　樁基有限元模型圖

渡槽的無絞拱實際為一空間結構，其對拱端的地質要求較高，并且不允許拱端產生較大變位，現進行邊墩拱端部位的三維有限元計算，了解大直徑樁體和拱端地層的受力及變位情況。

4.4.1有限元模型

本次計算主要是分析邊墩和拱端的變位情況，故選擇受力較大的工況組合：渡槽設計流量+地震力。本次有限元模型只取邊墩和邊墩周圍的地質邊界，邊墩上受到荷載主要為邊墩上部的排架重量和拱端的斜向推力，樁體和基礎之間用接觸單元進行模擬分析。三維模型見圖2，不同巖性分布透視圖見圖3，樁基有限元模型見圖4［3］。

4.4.2樁體變位

通過計算可得基樁的綜合變位最大為37.7mm，發生在斜樁底端處；另外可求得拱端處的綜合平均變位為6.0mm，具體見圖5。可見基樁和拱端的總體變位較小，滿足設計要求。4.4.3傾倒體應力復核

邊墩底部的傾倒體地基承載力為0.3 MPa，經三維有限元計算，在渡槽設計流量工況下，整個邊墩底部與表層基礎接觸部位應力基本都大于0.3 MPa，必須采取一定的工程措施進行處理。因此在邊墩底部向下截取不同的地基深度，了解地基應力沿傾倒體深度的變化情況，以確定需要處理的范圍和深度。

圖5　樁基綜合變位圖

（1）斜樁周圍傾倒體應力

提取斜樁周圍傾倒體地基正應力結果，其地基正應力隨深度（沿斜樁軸線方向）變化情況見表2，可知離斜樁頂部5m深處（沿樁軸線方向）的地基正應力小于傾倒體基礎的地基承載力，此深度的地基正應力最大為0.26 MPa。

表2　基樁周圍傾倒體應力變化表

（2）豎直樁周圍傾倒體應力

同理提取豎直樁周圍傾倒體地基正應力結果，其地基正應力隨深度（沿豎直樁軸線方向）變化情況見表2，可知離豎直樁頂部5m深處（沿樁軸線方向）的地基正應力小于傾倒體基礎的地基承載力；根據有限元結果可以看出此深度的地基正應力最大為0.28 MPa。

為了不擾動傾倒體，在設計中根據基礎傾倒體的有限元分析應力分布情況，在表層基礎采取工程措施，以加強傾倒體的地基承載力，具體方法為：對渡槽邊墩基底面及開挖斜坡面進行固結灌漿，灌漿孔深5.0m～8.0m，排距3.0m×3.0m，呈梅花型布置。

5　結語

本工程于2013年12月竣工，渡槽上布置有變位觀測點，觀測數據顯示正常運用時，渡槽最大垂直變形為7mm，水平位移和邊坡位移基本無變形，水流流態穩定，表明渡槽運行良好。

綜上所述，本文在設計中運用結構力學和三維有限元相結合的方法進行了方案設計、樁體變位、地基應力復核等工作，有效地指導了工程設計，其設計方法和理念在其它流量大、基礎差的類似渡槽工程中有實際的參考價值。陜西水利

［1］SL203-97，水工建筑物抗震設計規范［S］.

［2］竺慧珠，陳德亮，管楓年.渡槽［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.

［3］王國強.實用工程數值模擬技術及其在ANSYS上的實踐［M］.西安：西北工業大學出版社，1999.

（責任編輯：唐紅云）

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