海城市下坎灌區(qū)渡槽改造工程設(shè)計及計算

孫麗玲

(朝陽市農(nóng)村水利建設(shè)管理局，遼寧 朝陽 122000)

1 渡槽工程現(xiàn)狀

下坎排灌站位于海城市西北部，地理位置E122°1′-E123°08′，N40°29′-N41°11′，灌區(qū)屬于遼河平原南部，灌溉面積0.121 3×104hm2。渡槽位于下坎子排灌站灌溉渠道跨越排水干溝處，整個輸水工程主體部分建于1976年，經(jīng)過幾十年運行，渡槽結(jié)構(gòu)老化。通過遼寧省水利水電工程質(zhì)量檢測中心檢測的檢測結(jié)果可知，渡槽槽身兩側(cè)邊墻表面剝蝕嚴(yán)重，拉梁及拉梁與邊墻連接處破損更為嚴(yán)重，行人通過位于拉梁上的人行板時，存在較大安全隱患，渡槽槽身的機構(gòu)強度已經(jīng)達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；渡槽排架及排架間受力縱梁雖然存在表面剝蝕，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，由檢測數(shù)據(jù)可知槽墩及底梁的混凝土抗壓強度檢測值分別為23.5和24.4 MPa，可滿足強度要求。故本次采用保留渡槽支撐排架系統(tǒng)及縱梁結(jié)構(gòu)、槽身重建的方案，渡槽槽身采用矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

工程主體由進出水口、槽身、槽墩等組成，槽身及槽墩為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。渡槽支撐結(jié)構(gòu)為排架柱形式，支撐間距縱向為10 m，橫向間距2 m，頂部為典型牛腿結(jié)構(gòu)形式。支撐排架柱的縱向有縱梁連接，縱梁寬度0.3 m，高度0.5 m，與下部支撐排架固定連接。現(xiàn)狀渡槽的槽身為矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，凈寬度4 m，高度2.2 m，分為4跨；渡槽頂部有拉桿，間距2 m，人行橋板鋪設(shè)于拉桿之間。

渡槽進出口開挖范圍內(nèi)，上部為淤泥粉質(zhì)黏土，厚度約0.5 m，黑～褐色，軟塑、濕、中密、有光澤，底部含少量粉砂；下部為粉土含砂，深灰～淺灰色，含云母屑0.25～0.075 m顆粒86%，松散，夾有薄層狀粉質(zhì)黏土，層厚1.40～5.50 m。該層為導(dǎo)流墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)承載層，相應(yīng)地基承載能力可達到130 kPa。經(jīng)工程地質(zhì)評價，該位置地層較明確，未見夾層，每層土的物理力學(xué)指標(biāo)給定，無液化土層，屬中軟場地，適宜工程建設(shè)需要。

渡槽過水流量按照正常灌溉時間為9天的情況下為1.87 m3/s，但經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研及相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，該渡槽所控制的下游排灌水田，經(jīng)常發(fā)生在灌溉高峰期爭搶水源的情況，渡槽下游兩側(cè)的閘門會同時開啟進行排灌，縮短了灌溉時間。綜合以上情況考慮，為保證灌區(qū)春季灌溉需要，將該渡槽控制面積的灌水時間控制為4～5 d，相應(yīng)設(shè)計流量增加至3.74 m3/s，此時加大流量為4.86 m3/s。根據(jù)過水流量，屬于5級建筑物，共4跨，單跨10 m。

2 渡槽水力計算

槽身水力計算采用明渠均勻流公式：

Q=AR2/3i1/2/n

式中：Q為設(shè)計流量，m3/s；A為槽身過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為水力半徑，m；n為糙率系數(shù)，混凝土槽身一般采用n=0.013～0.014。i為槽身縱坡，i=1/2 000。

1) 渡槽進口流態(tài)與淹沒的開敞式水閘相似，一般按淹沒式寬頂堰流量公式計算進口水面降落值：

式中：Z1為進口水面降落，m；ε為側(cè)收縮系數(shù)，一般可采用0.95；φ為流速系數(shù)，一般可采用0.95；V1為上游渠道流速，m/s；g為重力加速度。

2) 出口水面回升Z2值一般根據(jù)進口水面降落按下式計算：

3) 槽身沿程損失Z3計算：

Z3=iL

式中：i為槽身縱坡；L為槽身長度。

4) 槽身進出口總水頭損失ΔZ按下式計算：

ΔZ=Z1-Z2+Z3

如前所述，渡槽過水流量3.74 m3/s，加大流量4.862 m3/s，通過明渠均勻流公式，試算不同水深及凈寬情況下的試算流量結(jié)果。當(dāng)試算流量結(jié)果與加大流量較為相近時，則此試算水深即為渡槽加大流量時水深H。同理，可得出設(shè)計流量下渡槽水深h。

初選渡槽凈寬為4 m，即過流寬度B=4 m，經(jīng)試算，加大流量下水深為1.01 m，設(shè)計流量下水深為0.83 m。考慮渡槽過流能力及渡槽結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，最終選用渡槽凈寬4 m，凈高1.8 m。

初步估算渡槽底板厚度、側(cè)墻厚度均為20 cm，渡槽外形尺寸寬為4.4 m，總高為2.2 m，渡槽內(nèi)頂部布設(shè)混凝土拉桿，上面鋪筑人行板交通橋。

3 槽身結(jié)構(gòu)計算及配筋

3.1 槽身剖面形式及尺寸擬定

參考已建工程，渡槽長40 m，每跨長度選定10 m，共4跨，支撐結(jié)構(gòu)選取排架形式，每節(jié)槽身由兩個排架支撐，故等同于簡支梁結(jié)構(gòu)進行計算。

本次設(shè)計選擇矩形渡槽斷面，渡槽無通航要求。為改善橫向受力條件槽頂設(shè)置拉桿，每隔2 m設(shè)置一根拉桿。側(cè)墻厚度根據(jù)經(jīng)驗公式t/H=1/12～1/16，取側(cè)墻厚度t=15 cm，側(cè)墻高為2 m，底板地面高于側(cè)墻底緣，以減少底板的拉應(yīng)力，底板厚度為20 cm，側(cè)墻和底板的連接處加設(shè)貼角，貼角角度為45°。

根據(jù)所設(shè)計渡槽為5級建筑物，確定渡槽槽身所用混凝土為C25混凝土，所用鋼筋為Ⅱ級。

根據(jù)前面計算結(jié)果，槽內(nèi)凈寬B=4 m，高H=1.8 m(拉桿0.2 m)，拉桿斷面尺寸為高×寬=20 cm×20 cm。具體結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

圖1 槽身橫斷面圖(單位：mm)

3.2 縱向結(jié)構(gòu)計算及配筋計算

簡支式梁式槽身，其兩端支承在支承剛架的頂端，在承受縱向荷載時可視為一個簡支梁，為一靜定結(jié)構(gòu)，計算簡便。槽身在縱向承受荷載有槽身自重、水重及人行荷載3項。取單位長度槽身計算荷載，三者均為均布荷載。

經(jīng)計算，槽身自重設(shè)計值g=45.25×1.05=47.51 kN/m

加大水深時水重設(shè)計值G=40.4×1.05=42.42 kN/m

人群荷載設(shè)計值q人=1.2×3=3.6 kN/m

縱向結(jié)構(gòu)計算可將矩形槽身截面概化為工字形，側(cè)墻厚度之和即為腹板厚度，b=2×0.15=0.3 m；槽身底板構(gòu)成工字梁的下翼緣(由于簡支梁槽身底板處于受拉區(qū)，故在強度計算中不考慮底板的作用，但在抗裂驗算中加以考慮)；考慮到側(cè)墻頂部和人行道寬度擴大較小，可近似的將側(cè)墻看作矩形截面，故計算簡圖可簡化為2.2×0.3的矩形截面。

作用在渡槽上的最大分布荷載為：

q=g自重+G水+q人=47.51+42.42+3.6=93.53 kN/m

跨中最大彎矩：

M=qL2/8=93.53×102/8=1 169.13 kN·m

支座剪力設(shè)計值：

Qmax=qL/2=93.563×10/2=476.65 kN

通過所求內(nèi)力值分別進行正截面配筋計算、斜截面抗剪計算，以及槽身縱向抗裂驗算。

跨中正截面驗算時，有拉桿槽身的側(cè)墻頂肋截面積甚小，故在強度計算時其可忽略。則將原截面的兩個側(cè)墻合并為一梁肋，底板視為一翼緣，形成一個倒T形截面梁。因翼緣在受拉區(qū)，故可按矩形截面計算。見圖2。

圖2 倒T形截面梁

經(jīng)計算，As=2 123.72。其中：

放在側(cè)墻低端：75%×2 123.72=1 592.79 mm2,選取8φ18(As=2 036 mm2)

放在底板部位，還可兼作底板分布筋：

25%×2 123.72=530.93 mm2,8φ12(As=904 mm2)

斜面抗剪計算中，混凝土截面受剪承載力：

Vc=0.07fcbh0=0.07×12.5×300×2 130=559.13 kN>γdV=1.15×476.65=548.15 kN

因此，按構(gòu)造要求配筋即可。

槽身抗裂驗算，按倒T形梁進行計算，受彎構(gòu)件正截面在即將開裂的瞬間，受拉區(qū)邊緣的應(yīng)變達到混凝土的極限拉伸值εmax，最大拉應(yīng)力達到混凝土軸心抗拉強度ft。鋼筋混凝土構(gòu)件的抗裂驗算公式如下：

Ms≤γmαctftkW0

Ms=2 123.72 kN·m≤γmαctftkW0=1.55×0.85×1.75×9.91×108=2 289.87 kN·m

綜合上述計算可知，槽身縱向符合抗裂要求。

3.3 槽身橫向內(nèi)力計算及配筋計算

3.3.1 人行板配筋(按受彎構(gòu)件配筋)

選用5φ12,As=565 mm2，實際配筋率為：

3.3.2 拉桿內(nèi)力計算及配筋

由于在設(shè)計中選用有拉桿的矩形槽，所以橫向計算時沿槽長取1 m間距長度上的槽身進行分析。橫向計算時，近似認(rèn)為設(shè)置拉桿斷面槽身的橫向內(nèi)力與不設(shè)拉桿處相差不多，因此將拉桿均勻化。為了簡化計算，認(rèn)為所有的荷載均勻分布在槽壁和底板厚度的中心線上(偏于安全)，并且槽身對稱可取一半計算，該結(jié)構(gòu)為一次超靜定結(jié)構(gòu)，不計軸力及剪力對變位的影響，用力法求解X1。

經(jīng)計算，由于拉桿所受拉力很小，但考慮其上人行板及人行荷載，所以配置6φ12(As=678 mm2)箍筋φ8@300

3.3.3 底板的內(nèi)力計算及配筋

離側(cè)墻中心線X處的底板彎距計算，為底板荷載計算：

3.3.4 側(cè)墻內(nèi)力計算及配筋

經(jīng)計算，外側(cè)不需要配筋，但需要配置構(gòu)造鋼筋：

內(nèi)側(cè)配筋為：

選配φ10@200，As=393 mm2

渡槽具體配筋情況詳見表1。

表1 槽身鋼筋數(shù)量表

4 渡槽及其地基穩(wěn)定性驗算

4.1 槽身的整體穩(wěn)定性驗算

位于大風(fēng)區(qū)的渡槽，輕型殼體槽身可能被風(fēng)荷掀下來，因此需驗算槽身的整體穩(wěn)定性。最不利荷載見圖3，槽中無水，槽身豎向荷載僅有渡槽自重N2，水平向荷載為風(fēng)荷P1，設(shè)支承面的摩擦系數(shù)為f取0.3，繞背風(fēng)向支點轉(zhuǎn)動的傾覆力矩為Mp1，抗傾覆力矩為MN2，具體計算如下

圖3 渡槽及其地基穩(wěn)定計算圖

槽身的整體穩(wěn)定性驗算包括抗滑穩(wěn)定驗算及抗傾覆穩(wěn)定驗算。

抗滑穩(wěn)定驗算。已知渡槽自重N2=475.1 kN，經(jīng)計算槽身水平風(fēng)荷載為P1=13.2 kN，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)：

故槽身抗滑穩(wěn)定符合要求。

抗傾覆穩(wěn)定驗算。抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為：

故槽身抗傾覆穩(wěn)定符合要求。

4.2 渡槽抗滑穩(wěn)定驗算

位于河槽中的槽墩(架)及其基礎(chǔ)，當(dāng)水深及流速較大且地基抗滑力較小時，在水平荷載∑P的作用下，可能沿基礎(chǔ)底面產(chǎn)生水平滑動。抗滑穩(wěn)定系數(shù)：

故渡槽抗滑穩(wěn)定符合要求。

式中：f為基礎(chǔ)底面與地基之間的摩擦系數(shù)；∑N、∑P為所有鉛直力、水平力的總和；KC為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。

計算條件：當(dāng)∑N小時，對抗滑穩(wěn)定是不利條件，故計算槽中無水情況。即∑N中不包括槽中水重N1，此時∑N=1 475 kN。

4.3 渡槽抗傾覆穩(wěn)定驗算

基礎(chǔ)底面抗傾覆穩(wěn)定的不利條件與基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定的不利條件是一致的，所以抗傾覆穩(wěn)定驗算的計算條件及荷載組合與抗滑穩(wěn)定性驗算計算的不利條件及荷載組合相同。

4.4 基底壓應(yīng)力驗算

驗算設(shè)計的基礎(chǔ)寬度及埋置深度與荷載所產(chǎn)生的基底壓應(yīng)力，能否與地基的承載能力相適應(yīng)。如果基底壓應(yīng)力σ超過地基的允許承載力[σ]，則渡槽就可能失穩(wěn)破壞；反之則可能發(fā)揮地基的承載力不夠，增加不必要的工程量。位于河槽中的槽墩(架)及其基礎(chǔ)，當(dāng)水深及流速較大且地基抗滑力較小時，在水平荷載∑P的作用下，可能沿基礎(chǔ)底面產(chǎn)生水平滑動。

假定基底壓應(yīng)力(即地基反力)呈直線變化，不考慮地基的嵌固作用時，由偏心受壓公式可得基底邊緣應(yīng)力為：

式中：A為基礎(chǔ)底面積；Wya、Wxa為相應(yīng)于最大應(yīng)力σmax基底邊緣的截面抵抗矩(Wya=Iy/la，Wxa=Ix/la，Iy、Ix為基底面對重心軸Y—Y、X—X的截面慣性矩)；Wyi、Wxi為相應(yīng)于最小應(yīng)力σmin基底邊緣的截面抵抗矩(Wyi=Iy/li、Wxi=Ix/li)。

計算如下：

橫槽向：∑N=1 475 kN，∑My=152 kN·m

順槽向：∑N=1 475 kN，∑Mx=0

5 細(xì)部構(gòu)造

5.1 新建槽身與原槽墩銜接布置

本次渡槽重建，新建渡槽槽身放置在原渡槽槽墩之上。由遼寧省水科院的質(zhì)檢報告可知，現(xiàn)狀渡槽的支墩及墩頂橫梁表層破損、鋼筋外露。在本次規(guī)劃設(shè)計中，考慮到支墩強度、橫梁強度均超過20 MPa，故未拆除渡槽的支撐結(jié)構(gòu)，但必須對其表層混凝土的碳化問題以及鋼筋的銹蝕問題進行處理。借鑒以往工程經(jīng)驗，對現(xiàn)狀渡槽槽墩及縱梁進行表面鑿毛，清除表層厚度5～10 cm，待露出新鮮混凝土毛面和鋼筋骨架后，將8#線鐵絲網(wǎng)焊接與現(xiàn)狀外漏鋼筋骨架之間，再對新鋼筋骨架實施二期混凝土襯砌，襯砌混凝土厚度定為10 cm。襯砌后的混凝土表面與原橋墩或縱梁的鋼骨架具有較好的連接性，對結(jié)構(gòu)起到較好的保護作用。

5.2 伸縮縫止水

梁式渡槽在每節(jié)槽身的接頭處必須設(shè)置伸縮縫，以適應(yīng)槽身混凝土收縮及溫度變化引起的的伸縮變形。伸縮縫內(nèi)設(shè)止水帶和填料。本次渡槽設(shè)計選用瀝青木板分縫，使用橡膠止水。

6 結(jié) 語

通過對下坎灌區(qū)渡槽工程的改造，不僅提高了周邊村民的收入水平，保障了當(dāng)?shù)丶Z食豐收和糧食安全，同時使得當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟效益和社會效益得到良好改善，希望能為類似項目提供參考與借鑒。