武嘉灌區浮莊渡槽改造設計實例

牛 歡

（河南省沙潁河勘測設計院有限責任公司）

1 工程概況

武嘉灌區位于河南省北部，是河南省大型引黃灌區之一。灌區南起黃河，北至衛河，東接人民勝利渠，土地面積398 km2，耕地面積2.49 萬hm2，設計灌溉面積2.40 萬hm2。灌區受益范圍涉及武陟、獲嘉、修武3縣14個鎮，193個行政村，37.10萬人，其中農業人口31.40萬人。灌區內主要種植作物為小麥、玉米、水稻、花生、棉花和其他經濟作物，復種指數1.70。灌區現有引水渠1 條，長0.86 km，設計流量28 m3/s；總干渠1 條，長25.20 km，各級各類建筑物共2640座。

浮莊渡槽位于總干樁號18+550 處，修建于20 世紀70 年代，為3 跨U 型薄殼式，運行時間近四十年，未進行維修和改造，鋼筋裸露，上下游連接段及兩端裹頭坍塌、沉陷，槽身部分構件失效，已滿足不了改造后的總干渠運行要求；另外總干渠浮莊渡槽以上部分在前幾期節水改造中渠底比降比原來減小（由1/3000 變為1/3500），以下比原來增大（由1/4000變為1/3500），因此該渡槽槽身需要升高，在本次改造中計劃重建槽身，加高槽墩，上下游連接段、進出口橋拆除重建，重建裹頭。

2 渡槽方案設計

根據灌區灌溉要求，浮莊渡槽設計流量10.86 m3/s、校核流量13.00 m3/s。本次改造渡槽上部采用鋼筋混凝土U 型槽，下部結構仍采用原基礎。渡槽總長50 m，由進口連接段（長6.00 m）、槽身段（長34 m）及下游連接段（長10 m）組成。槽身段為簡支3 跨，中跨10 m，邊跨均為12 m，設計U 型槽橫斷面采用R=1.60 m 半圓+0.96 m 高直墻，厚16 cm。槽頂設人行道板，寬80 cm，厚10 cm。沿槽身縱向每隔2 m 布置一根拉桿，拉桿橫截面為16 cm×18 cm。

3 防洪計算

3.1 水文資料

浮莊渡槽下方跨越二干排，二干排是武陟縣一條主要的排洪河道，根據《關于對河南省武陟縣二干排城區段河道治理工程初步設計的審批》，“設計城區內河道底寬確定為5 m，邊坡坡比1：2.00；城區以外河道底寬10 m，坡比1：2.00。城區段河道采用20 a一遇設計洪水開挖主河槽；城區以外河道采用5 a一遇的除澇標準擴挖主河槽，20 a一遇設計洪水增設堤防。”

根據《灌溉與排水工程設計標準》，武嘉灌區工程級別為Ⅲ等，渠道設計流量均在5～20 m3/s 之間，渠道及渠系建筑物級別為4 級。4 級渠系建筑物，防洪標準重現期為10-20 a 一遇。設計取20 a一遇。經計算，渡槽跨越處二干排水位流量關系為設計流量123.74 m3/s，設計水位83.32 m。

據《中國地震動參數區劃圖》GB18306-2015及相關規范規定，勘察區域內，地震動峰值加速度為0.15 g，相應地震基本烈度為VII度。

3.2 渡槽梁底高程

渡槽梁底應滿足設計水位加超高，根據《河南省武陟縣二干排城區段河道治理工程初步設計報告》，設計堤防為5級，不允許越浪，安全加高值為0.60 m。設計浮莊渡槽梁底高程為83.99 m，滿足設計水位加超高0.60 m要求。

3.3 沖刷與淤積分析計算

根據《公路工程水文勘測設計規范》中推薦的公式，對渡槽的一般沖刷和局部沖刷進行計算，根據渡槽的地質資料情況，經計算，在5%頻率下浮莊渡槽一般沖刷是0.83 m，局部沖刷是1.22 m。基礎埋深應考慮沖刷深度。

4 水力計算

4.1 槽身斷面選擇

考慮節約投資、便于施工，增強抗凍、抗裂性能，確定渡槽采用鋼筋混凝土U型槽身，按明渠均勻流公式確定斷面尺寸。

4.2 水面銜接

通過渡槽的輸水水頭損失，包括進出口水頭損失、槽身沿程水頭損失與進出口水面回升三方面。

4.2.1 水頭損失Z

水流過渠道漸變段進入槽身時，流速增大，水面發生降落。按淹沒寬頂堰計算：

式中：K1－進口段按局部水頭損失系數，與漸變段形式有關，本次扭曲取0.10；V、V0—槽身與上下游渠道的流速，m/s。

4.2.2 水頭損失Z1

水流經過全槽后水面發生降落，按明渠均勻流計算，槽身長度乘以比降。

4.2.3 出口水面回升

水流經槽身、渠道出口漸變段進入下游渠道因流速減小，部分動能轉化為勢能，水面回升：

式中：K2－出口局部水頭損失系數，取0.20；V1－下游渠道流速，m/s。

4.2.4 總水頭損失

4.3 方案選擇

為使設計比較合理，現擬定了3 種槽身布置方案，分別進行水力計算。

4.3.1 方案一：按原設計U 形渡槽槽寬（槽寬3.20 m），槽底需下降至低于渠底的計算成果

槽內水深采用為1.59 m，U形槽身寬度3.20 m，與原設計槽寬基本相等，計算槽身比降為1/500。由于槽內水深較大，進出口槽底將低于渠底。上下游渠道水深1.75 m，進口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.34-1.59）=-0.18 m，出口槽底高程低于下游渠底（1.75-0.22-1.59）=0.04 m。上下游渠深2.45 m，本次設計槽深2.56 m，與上下游渠頂基本銜接。該方案雖然進出口槽底低于渠底，但降低高度不多，對輸水能力不會有影響，不過在停止輸水后槽內將有4 cm 左右深的積水，需要上下游扭曲面連接段底部高程由渠底高程平順連接至槽底高程。

4.3.2 方案二：出口槽底與渠底相平，U 形渡槽槽寬需加大的計算成果（槽寬3.60 m）

槽內水深采用為1.45 m，計算結果，U 形槽身寬度3.60 m，原設計槽寬需加大約0.40 m。計算槽身比降為1/450，進口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.424-1.45）=-0.12 m，出口槽底下游渠底基本持平1.75-0.30-1.45≈0.00 m，停止輸水后槽內將不再存在積水。由于槽內水深較小，槽身凈高2.00 m即可滿足超高要求，但槽身高度還應滿足縱向受力要求，因此可采用與渠深2.35 m等高。由于槽身寬度較大，U形槽身的施工難度也相應加大，造價提高，對施工單位的資質應有相應要求，且寬度增加后需要對下部結構拆除重建，工程量增加較多。

4.3.3 方案三：出口槽底與渠底相平，改為矩形斷面槽身

槽內水深采用為1.46 m，計算結果，矩形槽身寬度2.67 m，可采用為2.80 m。進口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.396-1.46）=-0.11 m，計算槽身比降為1/424，出口槽底與下游渠底基本持平1.75-0.29-1.46=0.00 m，實際布置可采用出口槽底與渠底相平。輸水后槽內也不再存在積水。槽身高度也采用與渠深2.35 m等高。

4.3.4 確定最終方案

經綜合比較，方案一渡槽寬度較小，土建工程量少，投資少，安全風險小，與原方案一致，可充分利用原有下部結構減少投資，但停止輸水后槽內可能存在積水，對此可通過其他方式解決。方案二及方案三均寬度較大，且需要對下部結構拆除重建，經綜合比較工程選擇方案一。

5 結構計算

5.1 槽身橫向計算

槽身橫向內力計算，可沿槽身縱向取單位長度為脫離體，按平面問題進行分析。側墻與底板的內力隨槽內水深變化而改變，且側墻和底板厚度相等或相差不大時，側墻底部（也即底板兩端）和底板跨中的最大彎矩均發生于滿槽水的情況。因此，在上述條件下，槽身橫向內力計算時，取最大水深為控制荷載，并近似地將水位取至橫桿中心線處。經計算10 m 和12 m渡槽側墻底端彎矩分別為4.68，4.21 kN·m。側墻最大跨中彎矩分別為1.14，1.40 kN·m。底板跨中最大正彎矩分別為5.63、6.51 kN·m，底板承受的軸向拉力分別為11.97、12.67 kN。底板按偏心受拉構件設計，其配筋間距宜與側墻配筋相協調。

5.2 槽身縱向計算

縱向計算中的荷載一般按均布荷載考慮，它包括槽身重、槽中的水重及人群荷載、人行板荷載等（拉桿重集中荷載換算成均布荷載）并按加大流量計算，計算得12 m跨渡槽跨中最大彎距1 465 kN·m，最大剪力522 kN。渡槽縱向按簡支梁計算求得內力M、Q，按T型截面受彎構件進行正截面及斜截面強度計算。計算結果均按構造配筋。經過抗裂計算，滿足控制要求。

6 結語

渡槽是灌區建筑物中的重要組成部分，部分渡槽是灌區的咽喉工程，工程的好壞直接影響著工程效益的發揮，對于渡槽工程本身的方案選擇、工程造價、水頭損失、防洪、結構安全等設計時應詳細了解水文、地質情況，并按照設計相關規范、法規要求進行設計，從各個方面綜合比較，才能達到經濟合理，發揮效益的目的。