DFQ灌區(qū)渡槽重建方案設(shè)計分析

馬新勇

1 工程概況

DFQ灌區(qū)內(nèi)共有22個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），人口總數(shù)63.85萬人。灌區(qū)為跨流域引水，灌溉網(wǎng)絡(luò)組成有中小型水庫、泵站等，規(guī)劃有效灌溉面積為116.21萬畝。該渡槽是灌區(qū)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(shè)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(jié)構(gòu)形式為簡支梁。支承結(jié)構(gòu)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(lián)合建筑形式。槽身每節(jié)長度16.72 m，全長共分61節(jié)槽身，矩形斷面，槽身底寬4.1 m，槽身側(cè)墻高1.7 m。

2 渡槽存在問題

2.1 槽身

經(jīng)現(xiàn)場勘察，渡槽槽身側(cè)墻、底板混凝土大面積剝蝕，砼老化嚴(yán)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(xiàn)象；槽身底板橫梁露筋銹蝕裂縫嚴(yán)重（裂縫寬度0.5～2 mm，裂縫長度0.5～2 m）；槽身兩側(cè)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(yán)重。經(jīng)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(jīng)加固的排架混凝土碳化嚴(yán)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(jīng)檢測得出以下結(jié)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(jīng)處于全面銹蝕狀態(tài)，部分區(qū)域有銹斷危險[2]；②渡槽在現(xiàn)狀供水工況下處于不安全運行狀況；③槽身底板橫向、側(cè)墻縱向配筋，斜截面抗剪不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，需拆除重建；④排架柱作為主要承壓構(gòu)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(xiàn)行規(guī)范要求。

3 設(shè)計方案設(shè)計

經(jīng)調(diào)研，原渡槽已經(jīng)沒有維修加固價值，設(shè)計渡槽重建方案為“20跨×40 m預(yù)應(yīng)力槽身+進(jìn)出口15 m簡支結(jié)構(gòu)”。

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

3.1 槽身設(shè)計

槽身為單孔空箱簡支結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)通氣孔，每40m一跨，采用鋼筋混凝土整體澆筑，每節(jié)槽身設(shè)19束鋼絞線，兩端各預(yù)留0.6m待張拉完成后進(jìn)行二期澆筑，可利用造槽機(jī)機(jī)械化施工。

3.2 槽墩設(shè)計

結(jié)合地形特征和考慮施工方便，設(shè)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(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。其中排架柱、基礎(chǔ)、實心墩及墩帽采用C30混凝土，空心墩采用C40混凝土。

根據(jù)各槽墩處的地質(zhì)條件和其本身高度，設(shè)計1-6#、12-13#、22-23# 槽墩采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，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(fēng)化層以下3 m。

該方案結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，技術(shù)成熟，風(fēng)險系數(shù)和施工難度系數(shù)小，總工期為32個月，預(yù)計投資額為7354.3萬元。

4 重點結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)果見表1[2]。

表1 渡槽水力計算結(jié)果

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；i為槽身縱坡；n為糙率系數(shù)。

4.2 槽身結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)水力學(xué)計算和灌溉需求，設(shè)計槽底縱坡i=1/600，槽內(nèi)凈寬B＝3.1 m，槽內(nèi)凈高H＝2.6 m，槽身和底板厚度均設(shè)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(shè)脫離體側(cè)墻與底板交結(jié)為固結(jié)，槽身與墩柱可視為鉸接。槽身近似為均質(zhì)的箱涵結(jié)構(gòu)，底板受力最大為Mkx，按不利斷面進(jìn)行配筋，按式（2）進(jìn)行計算。

經(jīng)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(shè)計澆筑混凝土型號為C50，fc=23.1MPa，鋼筋標(biāo)準(zhǔn)為Ⅱ級 Φ16@100，fy=310N/mm2。

4.3 支承結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于墩帽及墩柱，最不利工況為“滿槽+橫向風(fēng)荷載”[5]，沿橫向槽身方向設(shè)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(jié)構(gòu)

計算得最大彎矩發(fā)生在柱底處，為1249.06 kN·m；最大軸力位于背風(fēng)側(cè)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(jiān)測

為檢測新建渡槽的穩(wěn)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(guān)系表。有表中數(shù)據(jù)可知：測點中最大位移值為-4.391 mm，遠(yuǎn)小于相關(guān)規(guī)范規(guī)定限值L/500。因此新建渡槽的穩(wěn)定性完全滿足使用要求。

表2 測點豎向位移水位關(guān)系表

6 結(jié)語

新建渡槽采用“20跨×40 m預(yù)應(yīng)力槽身+進(jìn)出口15 m簡支結(jié)構(gòu)”建造方案，取得了較好的經(jīng)濟(jì)性和實用性，對槽身及支承結(jié)構(gòu)的形式和最小配筋設(shè)計，最大限度地降低成本投資。

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