咸陽市彬長礦區輸配水工程渡槽的設計與施工要點分析

何毅偉

（福建路港（集團）有限公司，福建 泉州 362000）

1 工程地質概況

咸陽市彬長礦區輸配水工程渡槽設計總長268.6 m[1]，其中跨河谷段長163 m，最大槽墩高19m，設計輸水流量為Q=30 m3/s設計底坡i=1/1000，斷面凈寬3.5m，高4.12m，正常水深3.4m。在渡槽進口布置有分水、退水閘及節制閘，渡槽在平面上還與公路交叉布置。

設計渡槽處于淺切割緩丘地形區，進出口山坡地段基巖巖性為砂巖、粉砂巖、長石石英砂巖夾少量泥巖夾層，進口段為中等傾角斜交順向巖質邊坡，地形坡度較緩，無較大不良地質現象；河谷段階地沖積砂土、砂礫石層厚3.2 m，承載力不高、中壓縮性，易產生壓縮變形及不均勻沉陷問題，地下水位處于階地松散砂土層以下；出口段為上緩下陡的緩傾角斜交反向巖質邊坡。主要物理力學參數有：強風化基巖變形模量E0=1 GPa～3 GPa，容許承載力fa0=0.8 MPa～1.2 MPa，巖體抗剪斷強度f'=0.55～0.6，粘聚力c'=0.1 MPa～0.2 MPa。

2 工程布置

2.1 軸線布置

渡槽（S32+065.869m～S32+334.470 m），總長 268.60 m，上接隧洞出口、下接隧洞進口，軸線呈直線布置。包括分水口箱涵段（長13.674 m）、檢修節制閘段（長10 m）、進口箱涵段（53.427 m）、跨北前公路段（長13 m）、跨河谷段（長150 m）及出口箱涵段（長28.5 m）。

2.2 體型比選

2.2.1 結構體型的比選

渡槽縱向結構一般可采用梁式、拱式、桁架式、拱梁組合式及斜拉式等幾種型式，各種型式各具優缺點，其中前三種采用較為廣泛。該輸配水工程線路上渡槽均處于高地震區，水平地震動峰值加速度0.3 g，在特殊組合Ⅲ（地震+設計水深）下，上部結構將產生較大地震慣性力，要求結構盡可能采用延性較好、抗震性能較為有利的結構體系。本段設計輸水流量相對較小，根據總體布置，槽身底寬3.5 m，橫向尺寸較小，選擇梁式、桁架式縱向體系較為有利，考慮桁架式結構桿件制作較為復雜、施工吊裝難度大、橫向上不便于與槽身相結合，而梁式結構能結合渡槽橫向結構設計，設計、施工相對簡單等特點[2]，本段各渡槽縱向結構均推薦采用梁式體系。考慮施工條件及結構受力盡量簡單，本段渡槽推薦采用簡支梁式結構。

2.2.2 槽身截面形式的比選

渡槽槽身橫斷面型式有矩形、U形、梯形、半圓形、半橢圓形和拋物線形等，常用矩形與U形[3]。輸配水線路上渡槽引水流量不大，矩形和U形均適用，渡槽大多處于山區，所跨河谷或沖溝大多切割較深、跨度不大，進出口原始地形狹窄，不便于漸變段布置。根據總體設計，各渡槽進口基本都布置有退水或檢修閘，其中渡槽尚布置有分水閘，從而使得干渠斷面在由隧洞矩形過水斷面向U形斷面過渡的漸變段尤難布置，加之矩形斷面具有結構簡單、便于布置人形設施、施工工藝簡單等優勢，因此本段采用矩形斷面形式，斷面底寬和底坡與相同流量的隧洞、暗涵相同。矩形槽身有懸臂側墻式、加肋式、箱式、多縱梁式和多廂聯式等多種型式，設計時主要依據槽身過流量進行選取，前兩種適用于較小流量渡槽，多縱梁式和箱式適用流量較大，多廂聯式適用于大流量渡槽。本設計渡槽最大流量Q=30 m3/s，懸臂側墻式、加肋式、箱式三種橫斷面型式均能夠滿足要求，其中箱式結構為封閉剛架，受力狀態最好，整體抗彎剛度最大，且可利用頂板布置人行便橋，因此推薦采用。

2.2.3 渡槽跨度的比選

當采用普通鋼筋混凝土結構時，簡支梁式渡槽常用跨度為8 m～15 m，若采用預應力鋼筋混凝土結構，則可以加大到30 m～40 m[4]。對普通鋼筋混凝土結構考慮了10 m、12 m、15 m三種跨度進行結構計算比較，再取其中較優者與跨度25 m預應力鋼筋混凝土結構比較，最終推薦典型設計跨度。

經結構配筋計算，采用普通C30鋼筋混凝土結構時，渡槽在正常情況下結構尺寸（底板及兩側邊墻厚度）由槽身橫向抗裂控制，跨度10 m、12 m、15 m均能滿足要求，在相同縱向配筋條件下，跨度10 m、12 m的渡槽縱向底板抗裂較橫向有一定富裕，跨度為15 m時，縱橫向抗裂承載力差別不大，因此渡槽進出口段跨度按不大于15 m控制，采用C30普通鋼筋混凝土結構。渡槽跨河谷中間段，對跨度15 m的C30普通鋼筋混凝土結構和跨度25 m的C40預應力鋼筋混凝土結構進行初步比較分析。考慮結構橫斷面尺寸不大、且為箱形結構，不便于橫向預應力鋼筋布置，預應力方案橫斷面結構尺寸按普通鋼筋混凝土結構抗裂控制尺寸設計，因此兩個方案在橫向上斷面相同、配筋相同，僅在縱向上布置鋼絞線。經初步比較，采用跨度25 m預應力結構在布置、工程量上相對較優，推薦采用。

2.2.4 設計比選結果

設計渡槽槽身段總長163 m，斷面型式為箱型，B×H=3.5 m×4.12 m，共設7跨，其中13 m段單獨作為一跨，采用C30鋼筋混凝土結構，其余6跨為跨石河河谷段，為單跨長度25 m的C40預應力鋼筋混凝土結構。渡槽槽身結構圖見圖1。

2.3 渡槽與公路交叉布置

平面布置上均無法避開公路，干渠在樁號K32+150 m與北前公路交叉，平面交叉角度54°。分水/退水閘在陡坡段與北前公路交叉，平面交叉角度66°。因交叉段公路路面高程906.59 m，渡槽底板高程908.80 m，除去渡槽梁高0.75 m，渡槽梁底距離公路2.21 m，不滿足交通要求。平面布置圖見圖2。

圖2 渡槽與公路平面交叉布置圖

根據設計及施工經驗[5]，擬結合渡槽基礎開挖對交叉段公路進行改造，將交叉段公路高程降低2.79 m至903.8 m，兩邊以i=5%坡度與原路面相接，槽底凈空高度5 m，滿足公路工程技術標準的要求。該段地形平緩，路基位于基巖上，改造工程量較小，施工便利。渡槽與公路交叉改造見圖3。

圖3 渡槽與公路交叉改造圖

3 渡槽計算

3.1 槽深橫向結構計算

1）計算基本資料及計算模型

槽身為箱型截面，斷面凈尺寸3.5 m×4.12 m（B×H），襯砌厚度：底板0.45 m、兩側邊墻0.4 m、頂板0.3 m。槽身橫向計算取單位長度（1 m）進行，模型為矩形封閉剛架，經進行對稱簡化后，計算簡圖見圖4。

圖4 渡槽槽身計算簡圖

2）荷載組合

荷載組合見表1。

表1 渡槽荷載組合情況表

承載能力狀態各荷載分項系數[6]：結構自重取1.05，水壓力取1.0，人群荷載取1.2；正常使用極限狀態下，各荷載的分項系數均取1.0。鋼筋混凝土重度取25 kN/m3，水的重度按10 kN/m3計。水荷載、槽身自重，人行荷載均考慮為均布荷載。

3）內力計算結果

各工況下內力計算成果分別見表2（篇幅所限，只列出彎矩圖）。內力成果以工況1為例，彎矩圖，軸力圖見圖5。

表2 渡槽槽身橫向內力計算結果表彎矩（kN·m）

圖5 渡槽槽身內力圖—工況1

3.2 槽身橫向配筋計算

根據以上內力計算結果，對槽身橫向進行配筋計算，其中底板及頂板為偏心受拉構件，側墻按受彎構件計算[5]。

表3 渡槽橫向配筋計算材料參數表

本工程為輸水工程，建筑物級別為二級，為保證混凝土的抗滲性及結構的耐久性，在正常運行工況槽身按抗裂設計。

渡槽橫向鋼筋均為構造配筋：底板、側墻、頂板均每米配置5Φ16 mm的HRB鋼筋，截面積1005 mm2，對稱配筋。

槽縱向鋼筋配置為：15m跨度段，受拉普通鋼筋配置44Φ20mm的HRB鋼筋，鋼筋截面積13816 mm2，對稱配筋；25 m跨度段，受拉普通鋼筋配置40Φ25 mm的HRB鋼筋，對稱配置，預應力鋼筋配置Φs15.2鋼絞線44束，其中每11小束合并成1大束，共計4大束配置于槽身邊墻底部，鋼絞線截面積6160 mm2。

4 施工要點

渡槽施工時應嚴格遵守相關水工結構施工規范及公路橋涵施工技術規范等有關技術要求[6]。總體施工順序為先下部后上部，先基礎后結構。凡因施工需要而斷開的鋼筋當再次連接時，必須進行焊接并應符合施工技術規范的有關規定。施工中若鋼筋發生矛盾，允許進行適當調整布置，但混凝土保護層厚度應予以保證。定位時應采用可靠、精確的方法完成坐標定測，放樣應對提供的坐標進行復核。施工單位應盡可能采用先進技術和先進設備，確保施工質量。

5 結語

渡槽是輸水工程線路上最常用及重要的輸水建筑物之一。本輸水渡槽于2018年11月開工建設，目前正在建設中，根據其自身特點，結合設計施工經驗，進行合理的軸線比選、體型比選、交叉建筑物設計、通過進行結構計算及配筋計算等選配出渡槽鋼筋，抗裂滿足規范要求，根據施工經驗總結出施工要點，可為相似工程設計提供參考。