新疆玛纳斯河灌区跨河渡槽设计

2014-07-25石江琳

陕西水利 2014年6期

石江琳

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司新疆石河子 832000）

1 前言

渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、洪沟等的架空输水建筑物，是灌区水工建筑物中应用最广的交叉建筑物。

近几年来，渡槽发展的总趋势是，适应各种流量、各种跨度，特别是大跨度渡槽结构型式的研究，设计理论和计算方法的研究，建筑材料以及施工技术的研究和改进等，都有很大进步。灌区中采用渡槽型式较多，但对于选择渡槽型式总是有很多说法，下面就新疆玛纳斯河灌区跨河渡槽的方案选择及设计进行简单的分析和介绍。

2 工程概况

新疆维吾尔自治区玛纳斯河（以下简称玛河）流域位于天山北坡经济开发区核心地带，地处准噶尔盆地南缘，东至塔西河，西至巴音沟河，南至依连哈尔尕山，北至古尔班通古特沙漠，地理位置为东经84°47′～85°31′，北纬 43°40′～45°30′。

玛河灌区跨河渡槽代替原东岸大渠8km过河涵洞，其作用是将玛河五级电站发电尾水输向玛河西岸，灌溉原四、五、六宫及五旗渠等区域，并满足石河子市工业用水的要求。

3 渡槽总体布置

渡槽引水起点为东岸大渠9km退水闸处，终点为西岸干渠一支干渠的分水闸。设计流量15m3/s，加大流量为18m3/s，跨玛河处的河道两岸为防洪堤。为了不影响河道的行洪宽度，渡槽的跨度以不缩窄河床宽度为原则，渡槽总跨度350m，起点桩号为0+750，终点桩号为1+110，纵坡0.0157。渡槽与上下游渠道通过扭面衔接。

4 渡槽方案选择

渡槽的类型很多，同样也有很多种分类方法，一般是根据槽身及其支承结构的类型进行分类。

按所用材料分：有木渡槽、砖石渡槽、钢筋砼渡槽、钢渡槽等。

按槽身断面形式分：有矩形、U形、梯形、圆管等，其中前两种较为常见。

按支承结构形式分：有梁式、拱式、桁架式等。

本次方案比选顺序为先材料比选，其次槽身断面形式比选，然后支承形式比选，最终选定推荐方案。

4.1 槽身材料方案比选

本工程渡槽可以选择钢结构和钢筋混凝土结构两种形式，具体设计如下：

表1 渡槽方案比较表

（1）钢渡槽方案：渡槽采用梁式简支钢桁架型式，渡槽槽身长350m，每跨20m，计17跨。进口高程535.77m，出口高程为535.22m。槽身比降为0.00157。

槽身采用矩形断面结构，槽底宽4.0m，槽身高3.0m。

钢桁架跨度20m，底宽3.5m，高度2.3m，桁架节点间距为2.5m。腹杆采用三角式体系，分别由直腹杆、斜腹杆组成。钢桁架下部梁格结构由纵向次梁、横向次梁组成，纵向次梁间距0.7m，横向次梁间距0.5m。

（2）钢筋混凝土渡槽方案：渡槽采用简支梁型式，渡槽段长350m，起止桩号分别为 0+750、1+100。0+750～0+760、1+090～1+100分别为边跨，跨度为10m。其余15跨渡槽跨度均为15m。渡槽采用整体钢筋混凝土矩形槽结构，底宽4.0m，高2.4m；底板、边墙厚度均为0.3m，底部两侧纵梁宽0.45m，高0.8m。

图1 渡槽横断面形式示意图

（3）方案比选，二者的特点如下：

钢结构渡槽的优点：钢结构自重较轻，工作可靠性较高，抗震性好，钢结构制造的工业化程度较高，可以准确快速的装配，容易做成密封结构，施工不受季节限制，可缩短施工工期，管理、养护、维护简单方便。适用于大跨度结构，对河道行洪影响不大。

缺点：钢结构容易腐蚀、运行管理工作量大、投资相对较大。

钢筋混凝土结构渡槽的优点：耐久性好，整体性好，可就地取材，节约钢材，投资相对较小。

缺点：自重较大，抗裂性差，施工比钢结构复杂，施工期较长，冬季雨季施工困难，跨度较小。

因为本工程为灌区工程，考虑到业主运行管理方便，维修方便，节省投资等因素，本次设计选择投资较小、运行管理方便的钢筋砼渡槽方案。

4.2 钢筋混凝土渡槽横断面形式选择

槽身断面有矩形、U型（半圆型上加直墙）。一般常用矩形和U型断面，故将两种断面形式做以下比较论证。

大流量的钢筋混凝土梁式渡槽槽身多采用矩形断面，矩形槽身施工方便，耐久性、抗冻性好，结构简单，特别适合中型渡槽。

U形槽身断面为半圆加直段，槽顶一般设拉杆，槽壁顶端常加大以增加刚度，多采用钢筋混凝土或钢丝网水泥结构，与矩形槽身相比，具有水力条件好、纵向刚度大，省钢材等优点，但抗冻性差、不耐久，施工工艺要求高，如果施工质量不高，容易引起表面剥落、钢丝网锈蚀、甚至有漏水现象产生。

由于本工程流量18m3/s，且为跨河渡槽，属于中型工程，故本次设计槽身断面采用矩形断面。

4.3 结构形式的选择

梁式渡槽的槽身是直接搁置于槽墩或槽架之上的。为适应温度变化及地基不均匀沉陷引起的变形，必须设置变形缝，将槽身分为独立工作的若干节，并将槽身与进出口建筑物分开。变形缝之间的每一节槽身沿纵向是两个支点，所以既起输水作用又起纵向梁作用。根据支点位置的不同，梁式渡槽有简支梁、双悬臂梁和单悬臂梁三种型式。

单悬臂梁一般只在双悬臂梁向简支梁过渡或与进出口建筑物连接时使用。单悬臂梁槽身的悬臂长度不能过大，以保证槽身在另一端支座处有一定的压力，不允许出现拉力。

双悬臂梁渡槽由于悬臂的作用，股跨度可以增大，跨度较小则可节省钢材用量，但由于一节槽身的总长度大，总量大，故施工吊装较困难，当悬臂端部变形或地基产生不均匀沉降时，接缝将产生错动而使得止水容易被拉裂。另外，根据对已建工程的观察，双悬臂梁槽身在支座附近容易产生横向裂缝。

简支梁槽身施工吊装方便，接缝止水构造简单，但跨中弯矩较大，底板受拉，对抗裂防渗不利。简支梁槽身常用的跨度为8m～15m。

由于本渡槽跨越河道，故要求尽量加大跨度，从而尽量避免占用河道面积，并且为了施工方便、接缝止水构造简单，选择简支梁式渡槽，渡槽跨度取15m。

4.4 水力计算

槽身水力计算采用明渠均匀流公式：

式中，Q——设计流量，m3/s；

A——槽身过水断面面积，m2；

R——水力半径，m；

i——槽身纵坡；

n——糙率系数，钢筋混凝土槽身一般采用n=0.015。

计算结果见表2。

通过计算，为了与上下游水深衔接，并且渡槽的高宽比范围应在0.6～0.8之间，最终确定渡槽底宽为4.0m，高2.4m。

表2 渡槽水力计算

5 玛河跨河渡槽设计综述

根据比选结果，最终选定矩形断面，简支梁跨度为15m的钢筋混凝土渡槽方案。

渡槽起点位于渠道桩号0+740处，终点位于渠道桩号1+115处，分别由三部分组成，即上游渐变段、渡槽段和下游渐变连接段。

上游渐变连接段长10m，底板由渠道底宽2.5m，渐变为渡槽底宽4.0m，底板采用C20、F300、W6结构，板厚 20cm，边坡渐变段采用C20细粒混凝土砌筑浆砌石结构，厚度为30cm。

渡槽为简支梁型式。渡槽段长350m，起止桩号分别为 0+750、1+100。0+750～0+760、1+090～1+100分别为边跨，跨度为10m。其余22跨渡槽跨度均为15m。渡槽采用整体钢筋混凝土矩形槽结构，底板、边墙厚度均为0.3m，底部两侧纵梁宽0.45m，高0.3m。渡槽所有结构均采用C30、F300、W6钢筋混凝土。

下游渐变连接段长15m，底板底宽由4.0m渐变为1.5m，底板采用C20、F300、W6结构，板厚20cm，边坡渐变段采用C20细粒混凝土砌筑浆砌石结构，厚度为30cm。