武嘉灌區(qū)浮莊渡槽改造設(shè)計(jì)實(shí)例

牛 歡

（河南省沙潁河勘測設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司）

1 工程概況

武嘉灌區(qū)位于河南省北部，是河南省大型引黃灌區(qū)之一。灌區(qū)南起黃河，北至衛(wèi)河，東接人民勝利渠，土地面積398 km2，耕地面積2.49 萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積2.40 萬hm2。灌區(qū)受益范圍涉及武陟、獲嘉、修武3縣14個(gè)鎮(zhèn)，193個(gè)行政村，37.10萬人，其中農(nóng)業(yè)人口31.40萬人。灌區(qū)內(nèi)主要種植作物為小麥、玉米、水稻、花生、棉花和其他經(jīng)濟(jì)作物，復(fù)種指數(shù)1.70。灌區(qū)現(xiàn)有引水渠1 條，長0.86 km，設(shè)計(jì)流量28 m3/s；總干渠1 條，長25.20 km，各級各類建筑物共2640座。

浮莊渡槽位于總干樁號18+550 處，修建于20 世紀(jì)70 年代，為3 跨U 型薄殼式，運(yùn)行時(shí)間近四十年，未進(jìn)行維修和改造，鋼筋裸露，上下游連接段及兩端裹頭坍塌、沉陷，槽身部分構(gòu)件失效，已滿足不了改造后的總干渠運(yùn)行要求；另外總干渠浮莊渡槽以上部分在前幾期節(jié)水改造中渠底比降比原來減小（由1/3000 變?yōu)?/3500），以下比原來增大（由1/4000變?yōu)?/3500），因此該渡槽槽身需要升高，在本次改造中計(jì)劃重建槽身，加高槽墩，上下游連接段、進(jìn)出口橋拆除重建，重建裹頭。

2 渡槽方案設(shè)計(jì)

根據(jù)灌區(qū)灌溉要求，浮莊渡槽設(shè)計(jì)流量10.86 m3/s、校核流量13.00 m3/s。本次改造渡槽上部采用鋼筋混凝土U 型槽，下部結(jié)構(gòu)仍采用原基礎(chǔ)。渡槽總長50 m，由進(jìn)口連接段（長6.00 m）、槽身段（長34 m）及下游連接段（長10 m）組成。槽身段為簡支3 跨，中跨10 m，邊跨均為12 m，設(shè)計(jì)U 型槽橫斷面采用R=1.60 m 半圓+0.96 m 高直墻，厚16 cm。槽頂設(shè)人行道板，寬80 cm，厚10 cm。沿槽身縱向每隔2 m 布置一根拉桿，拉桿橫截面為16 cm×18 cm。

3 防洪計(jì)算

3.1 水文資料

浮莊渡槽下方跨越二干排，二干排是武陟縣一條主要的排洪河道，根據(jù)《關(guān)于對河南省武陟縣二干排城區(qū)段河道治理工程初步設(shè)計(jì)的審批》，“設(shè)計(jì)城區(qū)內(nèi)河道底寬確定為5 m，邊坡坡比1：2.00；城區(qū)以外河道底寬10 m，坡比1：2.00。城區(qū)段河道采用20 a一遇設(shè)計(jì)洪水開挖主河槽；城區(qū)以外河道采用5 a一遇的除澇標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)挖主河槽，20 a一遇設(shè)計(jì)洪水增設(shè)堤防。”

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，武嘉灌區(qū)工程級別為Ⅲ等，渠道設(shè)計(jì)流量均在5～20 m3/s 之間，渠道及渠系建筑物級別為4 級。4 級渠系建筑物，防洪標(biāo)準(zhǔn)重現(xiàn)期為10-20 a 一遇。設(shè)計(jì)取20 a一遇。經(jīng)計(jì)算，渡槽跨越處二干排水位流量關(guān)系為設(shè)計(jì)流量123.74 m3/s，設(shè)計(jì)水位83.32 m。

據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》GB18306-2015及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，勘察區(qū)域內(nèi)，地震動峰值加速度為0.15 g，相應(yīng)地震基本烈度為VII度。

3.2 渡槽梁底高程

渡槽梁底應(yīng)滿足設(shè)計(jì)水位加超高，根據(jù)《河南省武陟縣二干排城區(qū)段河道治理工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，設(shè)計(jì)堤防為5級，不允許越浪，安全加高值為0.60 m。設(shè)計(jì)浮莊渡槽梁底高程為83.99 m，滿足設(shè)計(jì)水位加超高0.60 m要求。

3.3 沖刷與淤積分析計(jì)算

根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》中推薦的公式，對渡槽的一般沖刷和局部沖刷進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)渡槽的地質(zhì)資料情況，經(jīng)計(jì)算，在5%頻率下浮莊渡槽一般沖刷是0.83 m，局部沖刷是1.22 m。基礎(chǔ)埋深應(yīng)考慮沖刷深度。

4 水力計(jì)算

4.1 槽身斷面選擇

考慮節(jié)約投資、便于施工，增強(qiáng)抗凍、抗裂性能，確定渡槽采用鋼筋混凝土U型槽身，按明渠均勻流公式確定斷面尺寸。

4.2 水面銜接

通過渡槽的輸水水頭損失，包括進(jìn)出口水頭損失、槽身沿程水頭損失與進(jìn)出口水面回升三方面。

4.2.1 水頭損失Z

水流過渠道漸變段進(jìn)入槽身時(shí)，流速增大，水面發(fā)生降落。按淹沒寬頂堰計(jì)算：

式中：K1－進(jìn)口段按局部水頭損失系數(shù)，與漸變段形式有關(guān)，本次扭曲取0.10；V、V0—槽身與上下游渠道的流速，m/s。

4.2.2 水頭損失Z1

水流經(jīng)過全槽后水面發(fā)生降落，按明渠均勻流計(jì)算，槽身長度乘以比降。

4.2.3 出口水面回升

水流經(jīng)槽身、渠道出口漸變段進(jìn)入下游渠道因流速減小，部分動能轉(zhuǎn)化為勢能，水面回升：

式中：K2－出口局部水頭損失系數(shù)，取0.20；V1－下游渠道流速，m/s。

4.2.4 總水頭損失

4.3 方案選擇

為使設(shè)計(jì)比較合理，現(xiàn)擬定了3 種槽身布置方案，分別進(jìn)行水力計(jì)算。

4.3.1 方案一：按原設(shè)計(jì)U 形渡槽槽寬（槽寬3.20 m），槽底需下降至低于渠底的計(jì)算成果

槽內(nèi)水深采用為1.59 m，U形槽身寬度3.20 m，與原設(shè)計(jì)槽寬基本相等，計(jì)算槽身比降為1/500。由于槽內(nèi)水深較大，進(jìn)出口槽底將低于渠底。上下游渠道水深1.75 m，進(jìn)口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.34-1.59）=-0.18 m，出口槽底高程低于下游渠底（1.75-0.22-1.59）=0.04 m。上下游渠深2.45 m，本次設(shè)計(jì)槽深2.56 m，與上下游渠頂基本銜接。該方案雖然進(jìn)出口槽底低于渠底，但降低高度不多，對輸水能力不會有影響，不過在停止輸水后槽內(nèi)將有4 cm 左右深的積水，需要上下游扭曲面連接段底部高程由渠底高程平順連接至槽底高程。

4.3.2 方案二：出口槽底與渠底相平，U 形渡槽槽寬需加大的計(jì)算成果（槽寬3.60 m）

槽內(nèi)水深采用為1.45 m，計(jì)算結(jié)果，U 形槽身寬度3.60 m，原設(shè)計(jì)槽寬需加大約0.40 m。計(jì)算槽身比降為1/450，進(jìn)口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.424-1.45）=-0.12 m，出口槽底下游渠底基本持平1.75-0.30-1.45≈0.00 m，停止輸水后槽內(nèi)將不再存在積水。由于槽內(nèi)水深較小，槽身凈高2.00 m即可滿足超高要求，但槽身高度還應(yīng)滿足縱向受力要求，因此可采用與渠深2.35 m等高。由于槽身寬度較大，U形槽身的施工難度也相應(yīng)加大，造價(jià)提高，對施工單位的資質(zhì)應(yīng)有相應(yīng)要求，且寬度增加后需要對下部結(jié)構(gòu)拆除重建，工程量增加較多。

4.3.3 方案三：出口槽底與渠底相平，改為矩形斷面槽身

槽內(nèi)水深采用為1.46 m，計(jì)算結(jié)果，矩形槽身寬度2.67 m，可采用為2.80 m。進(jìn)口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.396-1.46）=-0.11 m，計(jì)算槽身比降為1/424，出口槽底與下游渠底基本持平1.75-0.29-1.46=0.00 m，實(shí)際布置可采用出口槽底與渠底相平。輸水后槽內(nèi)也不再存在積水。槽身高度也采用與渠深2.35 m等高。

4.3.4 確定最終方案

經(jīng)綜合比較，方案一渡槽寬度較小，土建工程量少，投資少，安全風(fēng)險(xiǎn)小，與原方案一致，可充分利用原有下部結(jié)構(gòu)減少投資，但停止輸水后槽內(nèi)可能存在積水，對此可通過其他方式解決。方案二及方案三均寬度較大，且需要對下部結(jié)構(gòu)拆除重建，經(jīng)綜合比較工程選擇方案一。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

5.1 槽身橫向計(jì)算

槽身橫向內(nèi)力計(jì)算，可沿槽身縱向取單位長度為脫離體，按平面問題進(jìn)行分析。側(cè)墻與底板的內(nèi)力隨槽內(nèi)水深變化而改變，且側(cè)墻和底板厚度相等或相差不大時(shí)，側(cè)墻底部（也即底板兩端）和底板跨中的最大彎矩均發(fā)生于滿槽水的情況。因此，在上述條件下，槽身橫向內(nèi)力計(jì)算時(shí)，取最大水深為控制荷載，并近似地將水位取至橫桿中心線處。經(jīng)計(jì)算10 m 和12 m渡槽側(cè)墻底端彎矩分別為4.68，4.21 kN·m。側(cè)墻最大跨中彎矩分別為1.14，1.40 kN·m。底板跨中最大正彎矩分別為5.63、6.51 kN·m，底板承受的軸向拉力分別為11.97、12.67 kN。底板按偏心受拉構(gòu)件設(shè)計(jì)，其配筋間距宜與側(cè)墻配筋相協(xié)調(diào)。

5.2 槽身縱向計(jì)算

縱向計(jì)算中的荷載一般按均布荷載考慮，它包括槽身重、槽中的水重及人群荷載、人行板荷載等（拉桿重集中荷載換算成均布荷載）并按加大流量計(jì)算，計(jì)算得12 m跨渡槽跨中最大彎距1 465 kN·m，最大剪力522 kN。渡槽縱向按簡支梁計(jì)算求得內(nèi)力M、Q，按T型截面受彎構(gòu)件進(jìn)行正截面及斜截面強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算結(jié)果均按構(gòu)造配筋。經(jīng)過抗裂計(jì)算，滿足控制要求。

6 結(jié)語

渡槽是灌區(qū)建筑物中的重要組成部分，部分渡槽是灌區(qū)的咽喉工程，工程的好壞直接影響著工程效益的發(fā)揮，對于渡槽工程本身的方案選擇、工程造價(jià)、水頭損失、防洪、結(jié)構(gòu)安全等設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)詳細(xì)了解水文、地質(zhì)情況，并按照設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范、法規(guī)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，從各個(gè)方面綜合比較，才能達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，發(fā)揮效益的目的。