左岸排水渡槽結構形式與預應力設計

武愛玲

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

左岸排水渡槽結構形式與預應力設計

武愛玲

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

南水北調中線京石段布置105座河穿渠排水建筑物，其中23座位于干渠深挖方段，河道以排水渡槽的形式穿越，經技術經濟比較有22座采用預應力結構，其中多側墻結構14座，多縱梁結構8座。文中闡述了排水渡槽工程布置和結構形式，對預應力設計從設計原則、預應力材料選擇、預應力損失、鋼絞線計算、鋼絞線布置與施工張拉等方面進行敘述，為同類工程的設計與施工提供參考。

多側墻；多縱梁；預應力；鋼絞線；后張法；施工張拉

南水北調中線工程是一項跨流域、跨省市的特大型調水工程。京石段應急供水工程近期擔負著向北京市應急供水和南水北調中線一期工程的輸水任務。該段途經河北省石家莊和保定12個縣（市），全長227.342km，根據河渠相對位置關系及河道控制流域面積（＜20km2），沿線布置105座河穿渠左岸排水建筑物，其中河穿渠倒虹吸62座，涵洞20座，排水渡槽23座。總干渠全線為自流，設計要求總干渠過水斷面內少設或不設墩、柱，以減少渠道水頭損失。因此，渡槽在布置時盡量采用大跨度設計，設計大部分排水渡槽為預應力結構。

1 布置及結構形式

排水渡槽位于深挖方渠段，分別建于坡水區或排洪溝內。洪水標準為50a設計，200a校核，設計流量11.5～184.8m3/s，校核流量15.4～264.1m3/s。總體布置縱向采用適應地基變形較強的簡支結構，跨數1～7跨，單跨長度12～24m，槽身總長24～154m，橫向斷面1～5槽。經過技術經濟比較有22座排水渡槽采用預應力結構。

根據河渠地形條件，渡槽軸線與總干渠中心線大部分為正交，有3座渡槽斜交布置，其軸線布置與總干渠中心線最小夾角為71°。為使渡槽進出口水流平順，有效降低槽內水深，進出口漸變段設計有八字墻、圓弧形翼墻兩種。

根據槽底與干渠水位相對位置關系，槽身結構分為多側墻和多縱梁兩種結構形式。

1.1 多側墻結構

以側墻代梁，側墻與底板為整體結構，通過水力設計分別為1～5槽，該結構優點是側墻和底板共同受力，可有效降低槽底高程，自重小；缺點是側墻影響過水，橫向寬度大，不能預制，施工復雜。

1.2 多縱梁結構

過水槽身為單一鋼筋混凝土矩形斷面，槽下為預應力混凝土縱梁。優點是過水斷面大，橫向寬度小，縱梁可預制吊裝，施工方便。缺點是過水槽身不承擔荷載，上部結構重量較大。

經過水力、結構設計和經濟比較，采用多側墻結構14座，多縱梁結構8座。下部支撐結構根據荷載和基礎形式，采用薄壁墩和柱墩，基礎采用樁基和擴大基礎兩種形式。

2 預應力設計

2.1 設計原則

結合左岸排水渡槽的運用情況、受力特點，在進行截面應力設計時采用有限預應力混凝土。即在空槽和設計洪水位情況下截面不出現拉應力；在校核洪水位情況下，截面允許出現拉應力，但拉應力不超過混凝土規定的抗拉強度。

2.2 預應力損失

結合排水渡槽的具體情況，在設計中采用后張法。后張法施工的預應力在張拉過程和運用過程中共存在兩批4種預應力損失。第一批預應力損失包括張拉端錨具變形和鋼絞線內縮引起的預應力損失、預應力鋼絞線與孔道壁之間摩擦引起的預應力損失。第二批預應力損失包括預應力鋼絞線應力松弛引起的預應力損失、混凝土收縮和徐變引起的預應力損失。此外考慮施工過程中，鋼絞線通常不能同時張拉而必須分批張拉，因此還要計算后批張拉的鋼絞線對先批張拉鋼絞線的影響。

2.3 預應力材料選擇

預應力鋼筋采用高強度、低松弛鋼絞線。公稱直徑15.2mm每根（7股），公稱截面面積139mm2，公稱質量1101kg/km，強度標準值1860N/mm2，抗拉強度設計值1260N/mm2，抗壓強度設計值360N/mm2，張拉控制應力取1302N/mm2。

混凝土強度等級C50W4F200，軸心抗壓強度的標準值32.0N/mm2，抗壓強度的設計值23.5N/mm2；軸心抗拉強度的標準值2.75N/mm2，抗拉強度的設計值2.00N/mm2。

2.4 鋼絞線計算

在設計中，鋼絞線除按承載能力極限狀態計算和正常使用極限狀態驗算外，還對制作、吊裝、施工階段等進行計算。承載能力計算包括正截面承載能力計算和斜截面承載能力計算。正常使用極限狀態驗算包括正截面抗裂驗算和斜截面抗裂驗算。

多側墻結構采用的是一端張拉；多縱梁結構采用的是兩端張拉。一端張拉選取左支座、1/4跨度、跨中、3/4跨度、右支座5個截面進行計算；兩端張拉選取支座、1/4跨度、跨中3個截面進行計算。

3 鋼絞線布置與施工張拉

3.1 鋼絞線布置

多縱梁或多側墻為簡支結構，跨中截面彎矩最大，支座處剪力最大。為抵抗跨中截面邊緣的拉應力，跨中截面的鋼絞線布置在截面的下邊緣，最下層鋼絞線距梁底20cm；孔道之間的水平凈距不小于5cm，并結合錨板的凈距要求進行布置；孔道至構件邊緣的凈距不小于3cm，且不小于孔道直徑的1/2；孔道在豎直方向的凈距不小于孔道的外徑，采用15cm。梁端部附近截面因拉應力小，剪應力較大，需要彎起部分鋼絞線抗剪。彎起的鋼絞線數量和位置通過計算確定，并應滿足錨墊板的布置要求，設計錨墊板與鋼絞線垂直。為解決局部承壓問題，在端部錨固區設置螺旋筋和鋼筋網片，螺旋筋焊接在錨墊板上。多側墻、多縱梁的鋼絞線布置見圖1，2。

圖1 多側墻結構鋼絞線布置示意圖

圖2 多縱梁跨中、梁端鋼絞線布置圖

3.2 鋼絞線張拉控制

鋼絞線張拉控制應力σcon為1302MPa，經計算，預應力構件澆筑后，待混凝土設計強度達到90%時方可張拉。多側墻結構采用一端張拉，多縱梁結構采用兩端張拉。張拉遵循同步、對稱的原則。鋼絞線張拉順序通過計算確定。張拉步驟：張拉應力σ→15%σcon→30%σcon→103%σcon。預應力筋在張拉過程中，除采用應力控制外，還采取伸長量校核的原則。實際伸長值與計算伸長值的允許偏差為±6%。如果超過該值，則暫停張拉，采取措施予以調整后，方可繼續張拉。

預應力鋼絞線錨固后的外露長度控制在30mm，多余部分用砂輪鋸切割。錨具采用封頭混凝土保護，其厚度不小于10mm。梁端二期混凝土嚴格按預留位置和范圍，對混凝土表面進行鑿毛后并用水沖洗干凈，濕潤后在其表面抹10～15mm同梁強度等級相同的細石混凝土，然后再澆筑同梁強度等級相同的混凝土，并振搗密實。

4 結語

（1）根據河渠地形條件，有20座渡槽與總干渠正交，有3座渡槽與總干渠斜交。

（2）根據工程布置，有14座渡槽采用多側墻結構、8座渡槽采用多縱梁結構，較好地滿足了工程安全運行需要。

（3）工程通過近兩年多的運行和部分排水渡槽滿槽通水檢驗，工程安全可靠，未發現任何問題，為預應力的設計與施工提供參考。

［1］河北省水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段應急供水工程可行性研究報告（上冊）［R］.2003.

［2］河北省水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段應急供水工程初步設計報告［R］.2004.

［3］本書編委會.水工鋼筋混凝土結構學［M］.北京：中國水利水電出版社，1996.

［4］SL/T 191—96，水工混凝土結構設計規范［S］.

［5］GB/50010—2002，混凝土結構設計規范［S］.

［6］本書編委會.預應力技術及材料設備［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［7］JTJ/041—2000，公路橋涵施工技術規范［S］.

TV314

A

1672-9900（2011）01-0051-03

2010－01－14

武愛玲（1965－），女（漢族），河北磁縣人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計，（Tel）13502010486。