普溪河渡槽設計與施工技術研究

劉明忠，李 鋒，陳崇德

（湖北省漳河工程管理局，荊門 448156）

1 概況

東風渠灌區位于湖北省宜昌市東南部，灌區國土面積2437km2，人口63.85萬人，耕地面積7.9萬hm2，其中有效灌溉面積6.84萬hm2，主要水源從長江北岸一級支流黃柏河東支的尚家河水庫引水。

普溪河渡槽位于湖北省宜昌市夷陵區分鄉鎮普溪河村，宜昌市東風渠灌區總干渠樁號11+830～12+833.42處。全長1003.42m，其中進口明渠段58.11m，進口漸變段15m，進口連接段30m（2節×15m），預應力渡槽段800m（單節40m×20節），出口連接段15m（1節×15m），出口轉彎段70.31m，出口漸變段15m；渡槽大高度61.5m，縱坡1/600，設計流量15.0m3/s，加大流量18.0m3/s； 槽身斷面為矩型，斷面尺寸4.3m×3.45m（寬×高），槽身凈空尺寸3.1m×2.6m（寬×高），側壁最小截面寬度0.3m，預應力簡支梁結構； 槽身結構為C50W4F100鋼筋混凝土整體澆筑，采用DZS40/500上行式矩形造槽機在原位置逐跨澆筑。

2 普溪河渡槽設計

2.1 普溪河渡槽現狀

原渡槽建于1970年，經過40多年的運行，槽身、底板、排架混凝土大面積剝蝕，鋼筋裸露，老化損壞嚴重。槽身混凝土強度范圍在9.5～19.4MPa，碳化平均深度25.2mm，排架立柱混凝土強度范圍14.7～20.5MPa，碳化平均深度23.7mm，槽身底板橫向、側墻縱向配筋，斜截面抗剪強度不滿足現行規范要求，渡槽在現狀工況下處于不安全運行狀態，需要拆除重建。

2.2 普溪河渡槽設計

2.2.1 槽身設計

采用單孔空箱簡支結構，頂部設通氣孔，每節槽身設25束鋼絞線，兩端各預留0.6m待張拉完成后進行第二期混凝土澆筑，可利用造槽機機械化施工。

2.2.2 槽墩排架設計

槽墩高度小于15m的采用單肢排；墩槽高度小于35m的采用雙肢排架；墩槽高度大于35m的采用空心墩；墩槽高度大于45m的采用空心墩與實心墩相結合的結構形式。其中排架柱、基礎、實心墩及墩帽采用C30混凝土，空心墩采用C40混凝土。

2.2.3 槽墩

依據地質條件和槽墩高度，槽墩采用明挖擴大基礎，采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑1.2m，間距4.3m，垂直水流方向布置3排，間距3.7m，樁深入微風化層3m以下。

2.2.4 槽身結構設計

槽身水力計算采用明渠均勻流公式。槽身結構設計斷面尺寸如圖1。

圖1 槽身斷面尺寸

可沿槽身縱向取1.0m長的脫離體，按平面要求進行橫向計算。作用在脫離體上的荷載兩側的剪力差平衡，側墻與底板交結處可視為鉸接，槽內水位取至槽頂作為控制條件，按不利斷面進行配筋計算［1］。

支撐結構設計按最不利工況為滿槽+橫向風荷載計算。

普溪河渡槽采用簡支梁結構設計方案，對槽身及支承結構的形式和最小配筋進行了分析計算。該方案結構設計簡單，技術成熟，風險系數和施工難度系數較小，有較好的經濟性和實用性。

3 普溪河渡槽施工技術

3.1 小截面槽身高標號混凝土配合比研究

3.1.1 普溪河渡槽混凝土澆筑特點

①設計為高標號混凝土（C50）；②槽身斷面尺寸小，其中側墻厚度僅0.3m；③最大高度61.5m，風壓高度變化系數1.86； ④受橫穿主梁的懸挑外肋及挑梁阻擋影響，混凝土入倉進料孔間隙小，難以采用天泵直接入倉澆筑；⑤跨度較大，現澆預應力混凝土。因而混凝土澆筑工程難度較大［2］。

3.1.2 配合比試驗

依據當地可供的、經檢驗合格的不同產地的水泥、細骨料、粗骨料、煤粉灰、抗裂摻和物、外加劑等原材料，以及防滲、抗凍、抗裂等要求，擬定15種不同的配合比，每種配合比試塊為6組，在不同溫度條件下進行對比試驗，分別求得各混凝土試塊初凝、終凝時間，4h（因底板混凝土澆筑時間在4h左右）塌落度經時損失值，以及養護3，7，28d后的混凝土抗壓強度等。經過分析，最終選定適合于工程特點的配合比，即每立方米混凝土中，水泥、煤粉灰、江砂、黃砂、碎石、外加劑、水、纖維素的比例為1∶0.128∶0.298∶1.19∶2.23∶0.027∶0.362∶0.0019。

3.1.3 槽身混凝土實測指標

11#～22#槽身混凝土實測指標如表1。

表1 11#～22#槽身混凝土實測指標

其中19#～22#槽身混凝土澆筑時，內模溫度較高，不便于人工操作，采取了通風設備后，溫度有所下降。

按上述混凝土配合比，并滿足一定的施工條件，混凝土的和易性、泵送性、坍落度、擴散度、抗壓強度等各項性能指標均滿足設計要求，能較好的指導施工［3］。

3.2 造槽機結構設計優化

依據普溪河渡槽為大跨度、小截面、端部高、矩形封閉式箱梁槽身等施工特點，對DZS40/500造槽機結構進行設計優化［4］。

3.2.1 箱式導梁改為桁架形式

由于主梁與導梁截面突變，導致在主梁與導梁下部連接處產生的沖擊應力集中問題較突出，優化的方法是：（1）通過焊接拼接板并用高強螺栓與主梁連接；（2）將導梁改為桁架結構，降低工程造價；（3）增加主梁與桁架結構間連接的漸變段，逐步改變受力形式。

3.2.2 延長主梁下部受力支撐區域截面加強范圍

在實際操作過程中，受造槽機加工、安裝及各支撐位置水平精度和混凝土澆筑面平整度誤差等因素影響，各支點難以做到絕對水平，導致各支點間內力呈隨機紊亂分布狀態，尤其是2#支腿一旦出現支墊超高，在過跨后期3#支腿提前脫空，將導致2#支腿對應的主梁下部未加強區域承受超設計荷載，極有可能出現局部失穩的問題。優化的方法是：從導梁連接處起往3#支腿方向延伸至35m范圍，增加主箱梁下部支撐面與腹板內外側倒角筋板及豎向截面強化筋板，并加強橫向、豎向筋板間等。

3.2.3 增加內模系統倒角蓋模

造槽機出廠時因考慮自動收縮折疊，故未在內模倒角接觸部位設計蓋模。在澆筑第二層混凝土過程中，內模倒角易翻出大量的混凝土，其側向壓力對已平倉的混凝土（第一層）形成擾動，既降低了槽身混凝土的澆筑質量，也增加了清理工作量，同時也延長了槽身混凝土澆筑時間。優化的方法是：底板混凝土澆筑完成后，在倒角模板外側增加蓋模，蓋模一側嵌入倒角模板底邊2cm處固定，外側采用鋼管頂撐模板。經過試驗對比，確定蓋模寬度為0.4m，確保了內倒角澆筑質量，縮短了澆筑時間，且操作簡單。

3.2.4 解決造槽機內外模板系統變形的問題。

DZS40/500造槽機安裝完成后，內模系統由于整體剛度較強，造成上下游兩端部約0.25m不能向下調整到位以及內外模的變形過程不一致。其后果可能是：澆筑完成的槽身頂板厚度不夠（設計0.25m，澆筑完成后0.225m），底板過水面保護層過大 （設計0.05m，澆筑完成后0.075m＞規范0.0625m），進一步還會影響到槽身底板設計縱坡（如圖2），導致水的流態發生變化，危及槽身的結構安全。

圖2 槽身縱坡曲線示意

優化的方法是： 增加連接限位桿將內梁上下游兩端由原來50t千斤頂支撐在墩帽上的方式。改為由吊桿直接與主梁連接，內梁受力方式由上下端2支點、中部4吊點（如圖3），優化為上下端2吊點、中部4吊點（如圖4）的方案，將內梁通過連接桿懸掛于主梁底部，形成整體聯合受力，既解決了變形不一致的問題。也解決了槽身頂板和底板保護層厚度的問題，滿足設計縱坡的要求。

圖3 造槽機上下端2支點、中部4吊點示意

圖4 造槽機上下端2吊點、中部4吊點示意

3.2.5 增設外模頂口線可調節桿件

造槽機外側上部行走平臺外檐與外肋之間配置了48個頂絲，但未設計頂絲固定和拉回裝置，施工中發現頂絲調節模板線條時，很難協調一致，效果不明顯；又由于無固定裝置，混凝土振搗棒振搗時，頂絲容易掉落，給下方通過的人、車造成了安全隱患。優化方法是：在外模頂口、外肋上焊接固定耳板座，設48個可調節撐桿替換所有上口頂絲，并按45°角布置，其操作性簡單，穩定性、安全性可靠，線條順直易于控制。

3.2.6 增加高空避雷裝置和安全防護設施

造槽機未設計高空避雷裝置，雨季施工時設備和施工人員均存在重大安全隱患。解決的辦法是增設高空避雷裝置和開、合方便的上部頂棚；墩帽是施工過道和平臺，造槽機未設計安全防護設施，解決的辦法是在墩帽增設安全防護欄。

優化后的DZS40/500造槽機主要由主梁、外模系統、內模系統、1#～4#支腿、端模、起升小車、電氣系統、液壓系統、配重塊及其他附屬結構等組成。主梁由4#支腿和1#支腿分別支撐與上下游兩個墩帽頂部，橫穿主梁側面設有12根挑梁，挑梁上懸掛有外肋，外肋在挑梁上橫移實現外模的開、合模功能，當外模合攏時可形成40m跨的槽身的施工平臺； 當外模張開時，主梁攜帶外模系統由有行走功能的3#腿和2#腿的液壓動力驅動下移動過跨； 另外起升小車可承擔垂直運輸任務，移動2#腿前后運動，無需配備其他設備。

3.3 大跨度小截面預應力槽身造槽機施工混凝土澆筑

3.3.1 混凝土澆筑難點分析

（1）普溪河渡槽單跨槽身混凝土澆筑量較大，澆筑時間較長。經計算，單跨槽身混凝土量約200m3，澆筑時間約需12h左右。

（2）由于截面狹窄、鋼筋及波紋管布置密集，混凝土入倉及振搗棒振搗的空間窄小，稍有不慎就會出現質量問題。

（3）混凝土在澆筑時除保證其強度、抗滲和抗凍等指標外，還必須具有較大的坍落度及較長的緩凝時間。

（4）為避免澆筑過程中產生翻漿現象，保證混凝土澆筑密實，無蜂窩、麻面、孔洞及表面溫度裂縫等問題，需制定合理的澆筑及振搗方案和科學完善的混凝土養護措施［5］。

3.3.2 工藝研究

經過多方案比較、論證，不斷試驗、探索，DZS40/500上行造槽機在每一節預應力槽身施工流程如下：

（1）首跨施工工藝流程：施工準備→梁體拼裝→內、外模安裝調試→預壓試驗→外模安裝調試→底板及側墻鋼筋制安、布置預應力波紋管→內模系統就位及固定→頂板鋼筋制安、布置預應力波紋管→混凝土澆筑及養護→預應力張拉錨固→灌漿封錨。

（2）標準施工工藝流程：上跨施工完成→造槽機過跨及就位→外模安裝調試→底板及側墻鋼筋制安、布置預應力波紋管→內模系統就位及固定→頂板鋼筋制安、布置預應力波紋管→混凝土澆筑及養護→預應力張拉錨固→灌漿封錨→二期混凝土澆筑。

3.3.3 關鍵點控制

（1）造槽機過跨、安裝。

很快一個月過去了，當我把變賣廢紙所得的56元錢高高舉在孩子們面前時，大家一個個興奮不已，甭提有多自豪了。

（2）內外模調試。

（3）鋼筋與預應力波紋管制安。

（4）內模系統就位及固定。

（5）混凝土澆筑分層控制（第1層底板、第2層倒角、第3~7層側墻、第8層頂板），如圖5。

（6）混凝土養護。

圖5 40m槽身澆筑層劃分示意

3.4 混凝土裂縫預防

（1）原材料選擇與混凝土配合比試驗。對原材料進行比較優選，對擬定的各種配合比方案進行試驗，在滿足混凝土可施工性能的基礎上減少水化熱量。

（2）溫度控制。采取噴灑水霧、設置遮陽棚等方式，降低骨料、水和摻和料的物理溫度；在攪拌車上部及泵管上覆蓋遮陽材料并定時灑水，降低混凝土入倉溫度；槽身混凝土拆模前，控制內部與外部溫度差＜15 ℃；改善混凝土的拌合加工工藝，控制混凝土出機口溫度等； 通過試驗建立混凝土出機口溫度與現場澆筑溫度之間的關系，并采取有效措施減少混凝土運送過程中的溫升等。

（4）加強混凝土養護。保溫養護：采取鋼模外貼30mm厚聚氨酯保溫板，混凝土面層覆蓋兩膜兩毯一油布的保溫措施，混凝土內外溫差不大于15 ℃；保濕養護：適時補充與混凝土同溫度的養護水；設置遮陽和擋風設施，避免薄壁結構高應力區出現溫度裂縫等。

3.5 預應力結構設計與張拉方案優化

3.5.1 預應力損失構成

普溪河渡槽為大跨度預應力渡槽，預應力損失主要有：鋼束與管道間摩擦引起的摩阻損失；錨具變形，鋼絲回縮引起的錨固損失；分批張拉時，混凝土彈性壓縮引起的損失；鋼筋松弛引起的應力損失、混凝土收縮徐變引起的應力損失等。

3.5.2 張拉計算方案

采用大型通用空間有限元軟件MIDAS/Civi對各張拉方案進行仿真分析，在槽身頂部、側墻、底梁、底板等部位，分析不同張拉順序，不同張拉步驟對預應力的損失，尋求鋼絞線合理的張拉順序及布設，最終確定采用對稱張拉方案用于工程施工。

監測與理論計算結果數據相差不大，并有較好的正相關關系［6］。

4 普溪河渡槽效益分析

4.1 社會效益

（1）供水效益明顯。普溪河渡槽的運用，引水流量由12.5m3/s恢復到15.0m3/s，滿足灌溉用水需求；同時將上游明渠正常運行水位降低了0.57m，提高了渠道運行安全系數；改變了老渡槽帶病運行的狀況，減輕了管理工作難度。

（2）利用大跨度小截面預應力渡槽造槽機施工，解決了常規方法模板支撐結構施工的難度，特別是高度較高的渡槽，其支撐結構工程量大，且受天氣條件的制約。

（3）DZS40/500造槽機自動化控制程度較高，極大地減少、減輕了高空作業的工作量，提高了施工安全保障。

（4）在施工中提出并優化的項目，如：箱式導梁改為桁架形式，延長主梁下部受力支撐區域截面加強范圍，解決造槽機內外模板系統變形的問題，增加內模系統倒角蓋模，增設外模頂口線可調節桿件，增加高空避雷裝置和安全防護設施等，均被造槽機生產廠家采納，對于持續推進造槽機設備在水利工程中的應用有一定意義。

4.2 經濟效益

（1）節省投資。經分析，與T梁+上部澆筑槽身的方案相比，造槽機方案主要減少了人工、材料和特種機械的資金投入，預應力槽身共20節，平均每節槽身節省投資36.316 萬元，20節槽身共節省投資726.32萬元。

（2）縮短工期。造槽機過跨及外模合攏僅需1d，即可為后續施工工序提供施工平臺； 同時槽身C50W4F100鋼筋混凝土7d可達到設計強度的90%左右，即可進行張拉，總工期縮短2個月左右。

4.3 生態環境效益

減少了植被破壞面積。采用造槽機施工，減少了槽身原位現澆下部支撐結構及支撐材料加工、堆碼場，椐測算，減少了施工擾動造成的水土流失面積約2萬m2。

5 結語

采用DZS40/500造槽機在大跨度小截面預應力槽身混凝土施工，依據工程質量、安全保證的需要，不斷對造槽機進行設計優化，確保了工程施工的順利進行和按時完成，為類似工程的施工提供了可資借鑒的經驗，同時將水利工程施工與科學研究結合起來，符合水利工程建設與可持續發展的趨勢。