DFQ灌區渡槽重建方案設計分析

馬新勇

1 工程概況

DFQ灌區內共有22個鄉（鎮），人口總數63.85萬人。灌區為跨流域引水，灌溉網絡組成有中小型水庫、泵站等，規劃有效灌溉面積為116.21萬畝。該渡槽是灌區總干渠的重要組成，始建于1970年，全長1005.3 m，槽身坡降1/491，設計流量范圍在15～18 m3/s。渡槽斷面形式為矩形，凈寬4.1 m，凈高1.70 m，結構形式為簡支梁。支承結構有單肢排架、雙肢排架和槽墩三種型式。渡槽部分分為槽、橋雙層聯合建筑形式。槽身每節長度16.72 m，全長共分61節槽身，矩形斷面，槽身底寬4.1 m，槽身側墻高1.7 m。

2 渡槽存在問題

2.1 槽身

經現場勘察，渡槽槽身側墻、底板混凝土大面積剝蝕，砼老化嚴重，呈灰白、灰黑色，局部蜂窩麻面、破損；槽身迎水面硅抹面和拉梁有露筋、脹裂現象；槽身底板橫梁露筋銹蝕裂縫嚴重（裂縫寬度0.5～2 mm，裂縫長度0.5～2 m）；槽身兩側有多條裂縫分布，槽身底板背水面橫梁混凝土多處露筋，拼裝接縫處滲水嚴重。經檢測：槽身混凝土強度范圍在9.5～19.4MPa，碳化平均深度25.2mm。

2.2 排架墩帽

未經加固的排架混凝土碳化嚴重，帽梁底面有露筋裸石、麻面、混凝土剝落等病害，可見多條貫通裂縫，多處可見鋼筋銹蝕脹裂縫。槽墩排架立柱混凝土強度范圍在14.7～20.5 MPa。碳化平均深度為23.7 mm。

經檢測得出以下結論：①槽身和排架混凝土鋼筋銹蝕電位平均值均大于-220 mv，說明槽身混凝土中的鋼筋已經處于全面銹蝕狀態，部分區域有銹斷危險[2]；②渡槽在現狀供水工況下處于不安全運行狀況；③槽身底板橫向、側墻縱向配筋，斜截面抗剪不滿足現行規范要求，需拆除重建；④排架柱作為主要承壓構件，砼強度最小值僅為14.7 MPa，其承載力和柱頂接觸面（支座）砼抗壓強度均不滿足現行規范要求。

3 設計方案設計

經調研，原渡槽已經沒有維修加固價值，設計渡槽重建方案為“20跨×40 m預應力槽身+進出口15 m簡支結構”。

該方案設計渡槽平面布置上呈“L”型，進出口呈直線，設置轉彎連接段。渡槽總長1003.42 m，其中進口明渠段58.11m，進口漸變段20 m，進口連接段30 m，渡槽段長800.0 m，出口轉彎段長70.31 m，出口漸變段長15.0 m。

3.1 槽身設計

槽身為單孔空箱簡支結構，頂部設通氣孔，每40m一跨，采用鋼筋混凝土整體澆筑，每節槽身設19束鋼絞線，兩端各預留0.6m待張拉完成后進行二期澆筑，可利用造槽機機械化施工。

3.2 槽墩設計

結合地形特征和考慮施工方便，設計1-3#、23-24#槽墩排架高度小于15 m，采用單肢排；對4～22#墩槽墩高度小于35 m的采用雙肢排架。其中35 m以上采用空心墩，空心墩最大高度控制為45 m，高度大于45 m的采用空心墩與實心墩相結合的結構形式。其中排架柱、基礎、實心墩及墩帽采用C30混凝土，空心墩采用C40混凝土。

根據各槽墩處的地質條件和其本身高度，設計1-6#、12-13#、22-23# 槽墩采用明挖擴大基礎，7-11#，14～21# 槽墩需開挖深10 m左右，也采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑1200mm，間距4.3m，垂直水流方向布置三排，間距3.7 m，樁深入微風化層以下3 m。

該方案結構設計簡單，技術成熟，風險系數和施工難度系數小，總工期為32個月，預計投資額為7354.3萬元。

4 重點結構設計分析

4.1 水力計算

渡槽水力計算直接決定了其輸水能力和建造成本[1]，采用明渠均勻流公式，具體見式（1），計算結果見表1[2]。

表1 渡槽水力計算結果

式中：Q為設計流量，m3/s；A為槽身過水斷面面積，m2；R為水力半徑，m；i為槽身縱坡；n為糙率系數。

4.2 槽身結構設計

根據水力學計算和灌溉需求，設計槽底縱坡i=1/600，槽內凈寬B＝3.1 m，槽內凈高H＝2.6 m，槽身和底板厚度均設計30 cm，其斷面尺寸如下圖1所示[3]。

圖1 槽身斷面尺寸（單位：cm）

為分析槽身受力情況，沿槽身縱向取1.0 m長的脫離體，簡化為平面問題橫向計算[4]。假設脫離體側墻與底板交結為固結，槽身與墩柱可視為鉸接。槽身近似為均質的箱涵結構，底板受力最大為Mkx，按不利斷面進行配筋，按式（2）進行計算。

經計算：底板最大彎彎距值為28.21 kN·m（跨中）和24.59 kN·m（端部）。設計澆筑混凝土型號為C50，fc=23.1MPa，鋼筋標準為Ⅱ級 Φ16@100，fy=310N/mm2。

4.3 支承結構設計

對于墩帽及墩柱，最不利工況為“滿槽+橫向風荷載”[5]，沿橫向槽身方向設置雙肢排架（見圖2），則垂直集中荷載Q=4698 kN（滿槽），水平集中荷載P=115.5 kN。

圖2 雙肢排架受力結構

計算得最大彎矩發生在柱底處，為1249.06 kN·m；最大軸力位于背風側柱，為6554.72 kN；剪力位于拉桿處，為266.66 kN；最大位移位于立柱頂部，為0.004 m。其配筋按Mmax=1249.06 kN·m考慮，其求受拉、受壓鋼筋為As=19712 mm2，滿足最小配筋率0.6%要求[6]。

5 新建渡槽變形監測

為檢測新建渡槽的穩定性，在槽底選取20個點測量其相對于輸水水位的豎向位移變化。表2是其中5個點的豎向位移水位關系表。有表中數據可知：測點中最大位移值為-4.391 mm，遠小于相關規范規定限值L/500。因此新建渡槽的穩定性完全滿足使用要求。

表2 測點豎向位移水位關系表

6 結語

新建渡槽采用“20跨×40 m預應力槽身+進出口15 m簡支結構”建造方案，取得了較好的經濟性和實用性，對槽身及支承結構的形式和最小配筋設計，最大限度地降低成本投資。

[1]夏富洲,王長德,曹為民,等.大流量預應力渡槽設計和施工技術研究[J].南水北調與水利科技,2009,7(6):20-25.

[2]吳軼,莫海鴻,楊春.大型渡槽動力設計方法研究[J].計算力學學報,2006,23(06):778-782.

[3]李遇春,李錦華.關于大型渡槽結構設計的幾個問題[J].中國農村水利水電,2006(07):57-60.

[4]和秀芬,趙立敏,李書群.洺河渡槽大跨度三向預應力結構設計[J].水利水電技術,2006,37(05):45-47.

[5]石江琳.新疆瑪納斯河灌區跨河渡槽設計[J].陜西水利,2014(6):168-169.

[6]楊建紅.山西禹門口灌區二級干渠渡槽工程修補加固技術[J].南水北調與水利科技，2017（09）：25-29.