特大型输水工程跨河梁式渡槽若干关键技术问题探讨

沈凤生

（国务院南水北调工程建设委员会办公室 北京 100038)

1 概述

输水渡槽具有水头损失小、工程运行维护方便等优势，在输水工程中广泛采用。作为特大型输水工程的南水北调中线一期工程总干渠（以下简称中线总干渠)采用渡槽形式跨越天然河道的有26座，其中梁式渡槽19座、涵洞式渡槽7座。当渡槽的梁底高程高于河道校核洪水位 0.5m及以上时，可以采用梁式渡槽，梁式渡槽槽身不挡水。当渡槽的梁底高程低于河道校核洪水位0.5m并仍需要采用渡槽输水时，一般采用涵洞式渡槽，涵洞式渡槽上部槽身输送渠水，下部涵洞宣泄河水，槽身可部分挡水；挡水高度须考虑上游允许壅水高度和河道通过校核洪水时渡槽自身的安全。中线总干渠梁式渡槽以及涵洞式渡槽基本情况及施工方式分别见表1和表2。

梁式渡槽经济跨度大，槽身普遍采用三向预应力钢筋混凝土结构，槽身结构形式有矩形和U形两大类。矩形渡槽还分单槽、双槽和三槽结构，有的矩形渡槽的槽壁和槽底采用肋板结构，但多数为厚度渐变式板结构。施工方式有满堂红现浇、造槽机现浇及预制和吊装三种。梁式渡槽槽身结构复杂、承受荷载大、跨度多为30m和40m，其设计、施工技术是中线总干渠典型的关键技术问题。涵洞式渡槽的设计、施工技术相对简单，均采用普通钢筋混凝土结构、满堂红现浇施工。

梁式渡槽槽身结构设计和施工难度大，需要专门研究的难题多，但至今尚无梁式渡槽专用行业或国家相应的技术标准，在中线总干渠建设期间，在建设主管部门提出设计技术规定的基础上，通过建设过程中的不断探索，基本形成了较为完整的设计和施工技术成果和经验。本文主要就中线总干渠梁式渡槽槽身的设计和施工所涉及的若干关键技术问题进行探讨。

2 关键技术问题的探讨

梁式渡槽槽身本身自重大，且水体重量往往大于本身自重，结构受力复杂，因此中线总干渠梁式渡槽槽身结构均采用了简支形式支撑于槽墩。渡槽混凝土均采用 C50混凝土，抗渗等级W6～W8，抗冻标号 F150～F200。梁式渡槽设计和施工中需要解决的技术难点很多，本文重点就槽身结构应力控制标准；槽身结构应力计算；设计工况及温度等荷载的确定；渡槽的特点及渡槽型式的选择；预应力设计和施工；槽身混凝土施工浇筑方式等问题进行分析和探讨。

表1 梁式渡槽基本情况

表2 涵洞式渡槽基本情况

2.1 槽身结构应力控制标准

结构应力控制标准关乎槽身断面设计以及施加预应力的大小。为了保证渡槽结构具有足够的耐久性，要求在任何荷载组合下槽身过水槽壁表面不允许出现拉应力，槽身外壁表面拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度设计值的 0.9倍（C50混凝土为1.7MPa)。

上述要求为正截面应力的要求，较现行《水工混凝土结构设计规范》的“严格要求混凝土不出现裂缝”的相应要求有所提高。除上述明确规定外，渡槽结构斜截面应力应该符合现行规范的要求，即对于过水槽壁，应按照“严格要求混凝土不出现裂缝”的相应要求，斜截面主拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度标准值的 0.85倍，即2.24MPa（C50混凝土)；对于非过水槽壁，应按照“一般要求混凝土不出现裂缝”的相应要求，斜截面主拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度标准值的 0.95倍，即 2.52MPa（C50混凝土)；对于斜截面主压应力，无论是过水槽壁还是非过水槽壁，均需要满足不大于混凝土轴心抗压强度标准值的0.6倍的要求，即19.44MPa（C50混凝土)。

上述应力标准在考虑瞬时温度和位于强震区的输水渡槽情况下由于可能出现局部应力偏大现象，实现难度相对较大。

2.2 槽身结构应力计算

渡槽结构复杂，其结构计算一般采用结构力学法和有限元法相结合。结构应力计算中一般也不考虑支座不均匀沉降产生的影响。

结构力学法多采用横向、纵向两个方向进行结构简化来分别进行计算。横向计算一般取一个拉杆间距，底板（底肋)、侧墙（侧肋)、中墙（对于多槽情况)、顶部拉杆等形成一个矩形（或弧形)闭合框架，框架承受一个拉杆间距范围内的水压力、自重等荷载。纵向计算时，将整个渡槽或渡槽的中墙或侧墙简化为简支梁进行计算，简支点为支座，横向计算时的支座反力作为集中荷载加载在这个简化的简支梁上。也有将渡槽纵、横向分别离散为平面杆件单元，采用杆件有限元来进行结构力学计算。结构力学计算无法考虑温度对结构应力的影响。

渡槽结构应力一般需要采用三维有限单元法进行应力复核。有限元复核计算中需要按照运行工况的各种可能组合进行详细的计算分析，并需要考虑温度荷载在内的所有荷载。温度工况结构应力计算成果由有限元计算法得出。

2.3 设计工况及温度等相关荷载

设计工况主要为空槽、设计水位、加大水位及满槽情况等基本运行状态下，与温度、地震、人群、风、冰等荷载不同组合。预制吊装渡槽需要考虑吊装、以及运送渡槽荷载等情况。双槽或三槽一联的渡槽还要考虑空槽和满槽同时存在的检修工况。由于渡槽应力的复杂性，对于三槽一联渡槽，设计要求只考虑中槽一个槽或两侧槽同时检修的对称工况，即在实际运行中这种渡槽检修时不允许出现渡槽非对称受荷的情况。

为有效减小地震动力反应，渡槽一般安装减震支座，据试验研究成果表明，地震时，减震支座可有效减小地震力向槽身传递，因此渡槽均采用减震支座。中线总干渠沿线地震基本烈度不高，需要进行抗震设计的梁式渡槽有9座，其中有 2座渡槽抗震设计采用地震峰值加速度0.15g， 7座渡槽抗震设计采用地震峰值加速度0.1g。渡槽抗震设计分析一般采用拟静力结构力学法或三维动力有限元法，有条件的还采用了振动台模型进行试验研究。虽然通过研究表明，渡槽采用减震支座可提高渡槽上部结构抗震能力，但目前出于安全储备考虑均未直接计入支座的减震作用；动水压力大致符合韦斯特伽特刚性结构面假设下的动水压力附加质量模型规律，采用有限元分析计算时，可直接采用附加质量法来考虑动水压力对渡槽槽身的作用。

冰压力以及温度荷载随着渡槽所处位置不同，取值不同。

冰压力计算一般按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》计算渡槽内水体结冰厚度，按照《水工建筑物荷载设计规范》计算渡槽内冰盖温度上升时冰盖内产生的水平膨胀压力。

渡槽槽壁温度应力由输水时槽壁内外温度差引起，或空槽时渡槽槽壁阴、阳面存在的温度差引起，可采取保温措施，以减小瞬态温度差引起的不利影响。实际渡槽设计计算中，槽壁温度差一般选取月平均或旬平均温差来计算。槽壁外侧面温度与大气温度及太阳照射有关，渡槽内侧面温度与输水水体的水温有关。经设计计算，黄河南的梁式渡槽冬季输水渡槽内外壁温差取5.7～8℃，夏季输水渡槽内外壁温差取-5.8～-8℃；黄河北的梁式渡槽冬季输水渡槽内外壁温差取 14℃，夏季输水渡槽内外壁温差取-7℃（阴面)、-12～-13℃（阳面)；空槽内外壁温差-5℃（阴面)和5℃（阳面)。中线总干渠渡槽设计中，为有效降低渡槽的温度应力，确保渡槽运行期应力长期满足设计要求的应力控制标准，不少渡槽外壁和底部采取了保温措施以有效削减作用在渡槽上的温度差；有的设计单位要求通过调度运用，避开夏季高温时段或冬季低温季节检修。

2.4 渡槽的特点及渡槽型式的选择

矩形渡槽和U形渡槽各有优缺点。首先，从结构布置角度来看，U形渡槽结构轮廓圆滑，结构体型为渐变过渡型，局部应力集中问题相对较少；矩形槽断面侧墙与底板结合部大致为直角，存在局部应力集中问题，但相对来说，结构断面较大。总体来说，U形槽和矩形槽两种结构型式均有整体性好，刚度大，受力明确等优点，均可通过合理配置预应力束改善槽体结构的应力水平，使渡槽应力满足结构应力控制标准。其次，从预应力设计布置来看，纵向预应力束，U形槽一般采用直线束，槽端剪力只能采用增加环向预应力束的方式来解决；而矩形渡槽侧墙（中墙)内的预应力束，可根据主应力迹线弯起，由此提高预应力效果，减少预应力束用量。横截面方向的预应力束，U形槽按环向布束，锚具少，并可直接在槽顶张拉，无需专门的施工平台，而矩形槽侧墙（中墙)和底板需分别布束，锚具多、底板预应力束张拉需专门搭建施工平台。第三，从施工角度来看，U形渡槽重量轻，同规模渡槽相比，其重量一般为相应矩形渡槽重量的60%。混凝土、钢筋及钢绞线等材料用量相对要比矩形渡槽少。但U形槽模板制作难度大，现浇时多采用造槽机，预制时采用架槽机，采用这两种施工方案，可减少占用河床时间，但施工设备所需代价较高。采用造槽机时，浇筑混凝土过程中槽体模板变形对于槽身混凝土浇筑质量的影响不可小看。矩形槽多用于满堂红现浇，施工立模支撑结构较大，槽身预应力锚索需分别进行纵向、横向和竖向3个方向的张拉施工，为不影响河道行洪，施工工序需在一个枯水季完成，施工工期要求高。当槽墩较高（如双洎河渡槽)，采用满堂红支架施工难度较大时，矩形渡槽也可采用造槽机，但投资相对较大，且由于渡槽自重大，混凝土浇筑质量同样会受到槽体模板变形的影响。第四，从对气候适用性来看，由于北方地区冬季寒冷，U形渡槽相对矩形渡槽槽壁较薄，最小槽壁厚度一般仅为35cm，在温差大、抗冻融等耐久性方面要求高的条件下，如不采取附加措施，U形渡槽耐久性不如矩形渡槽。第五，从投资来看，一般矩形渡槽均要比U形渡槽的综合投资略大。采用预制或采用造槽机现浇等一次性投入较大的施工方式进行建设时，还需要综合比选投资。

总体来说，渡槽型式的选择，包括矩形渡槽选用单槽一联、两槽一联或三槽一联，均需要从工程建设条件的方方面面，根据实际情况予以综合考虑和比选。

2.5 渡槽预应力设计和施工

采用合适的渡槽预应力设计和施工技术十分重要，关系到工程的结构安全和耐久性。

预应力配筋中，除有的矩形渡槽竖向预应力筋采用高强螺纹钢筋外，一般均采用高强低松弛钢绞线。除湍河渡槽环向预应力采用无粘结预应力方式外，其它所有渡槽的预应力筋采用有粘结预应力方式。为确保预应力定位的准确、可靠，设计要求施工准备时直线段预应力锚索波纹管定位每 0.5m设置一个固定点，曲线预应力锚索波纹管定位每 0.3m设置一个固定点。预应力锚索设计张拉控制应力一般取0.7倍预应力钢绞线（钢筋)强度标准值，张拉施工时，可以超张拉，但最大张拉力不得超过0.8倍预应力钢绞线（钢筋)强度标准值。张拉端锚具变形及预应力内缩值、钢绞线（钢筋)与孔道边壁之间的摩擦引起的损失、孔道偏差等参数需要根据规范要求选择，并在现场进行试验验证。为有效减小预应力张拉损失，不少渡槽设计中在渡槽槽身两端设置混凝土后浇带，以保证在渡槽纵向实施两端同时张拉、分别锁定。但后浇带混凝土浇筑施工中应重视一、二期混凝土结合面的施工质量，必要时采取合适的防渗措施。

渡槽预应力设计中，由于单个渡槽预应力筋布置不仅十分复杂，且数量巨大，需要通过详细的分析计算，根据施工方式以及有关规程规范的要求合理确定渡槽的张拉程序，并在施工中严格执行。预应力筋张拉每级加载后，应同步量测其伸长值，锁定后应量测预应力筋的回缩量和滑移量。预应力筋张拉结束后，应检查预应力保持是否达到要求，未达到要求的，应补偿张拉；无法进行补偿张拉的还应采取其它可靠的措施。

为确保渡槽的耐久性，需要严格按照有关规定和要求进行预应力孔道的灌浆设计和施工。孔道灌浆前，应检测预应力锚索回缩值是否满足设计要求。灌浆材料要求采用低碱硅酸盐水泥或低碱普通硅酸盐水泥，强度不低于结构混凝土设计强度；水灰比一般不大于0.3；灌浆材料可根据需要添加专用的添加剂，但添加剂中应不含有氯盐、亚硝酸盐或其他对预应力筋具有腐蚀性的化学成份，减水剂应采用高效减水剂。孔道灌浆需要采用真空辅助压力灌浆工艺，即采用一端压浆另一端抽真空的方法；峰谷形曲线孔道，峰顶应设置排气孔，配合排气；预应力锚索水平布置时，则由张拉端灌浆孔压浆，固定端排气孔抽真空，两端张拉的可根据情况布置；竖向布置时，则由张拉端灌浆孔抽真空，固定端排气孔压浆。为保证压浆施工质量，压浆施工中应按“四个要求”严格执行，即要求控制好灌浆浆液的水灰比；要求控制进入孔道的灌浆量；要求做好出气孔和检查孔的检查工作；要求检查孔道充填密实情况。

2.6 槽身混凝土施工浇筑方式

中线总干渠梁式渡槽施工采用了普通满堂红支架施工法、预制吊装施工法、造槽机现浇施工法等3种施工方法。

普通满堂红支架施工法使用最为普遍，只要施工安排能满足度汛要求，一般这种施工方法往往相对比较经济，因而是工程建设的首选。预制吊装施工法以及造槽机现浇施工法可以不受度汛的影响，预制吊装施工法还有浇筑质量控制容易、施工周期短等优点，但预制吊装法受到架槽机、运槽机等吊装容量的限制，并需要加大槽墩宽度、复核运送渡槽时已就位渡槽的承载力；造槽机现浇施工法存在造槽机在浇筑过程中模板出现持续变形可能带来的浇筑质量不可控的问题等。因此渡槽各种施工方法各有优缺点，都需要根据现场实际情况来综合比选合理选取，并都需要采取有针对性的措施来确保（井群干扰系数，利用此法核算得 2011年取水量他不同水源结合灌溉面积栏，比如扬黄水（客水)渡槽施工建设的进度和质量。

不管采用什么施工方法，槽身混凝土浇筑时均需要采取严格的温控措施，以防槽身混凝土出现温度裂缝。

2.7 其它有关问题

渡槽挠度以及屈曲稳定性往往远高于设计要求。渡槽施工建设中应重视渡槽槽身之间伸缩缝止水的设计和施工技术。

3 结束语

中线总干渠已经建设 19座大型梁式跨河渡槽，其中石家庄至北京段工程的3座梁式渡槽已经经历了5年多的输水考验，工程运行正常，说明现有梁式渡槽槽身的设计方法和设计标准总体合理。下一步，中线总干渠全线通水后，在进一步总结渡槽运行经验和分析原型安全观测数据的基础上，还需要深化温度、地震等荷载作用下渡槽工作性态的研究工作，优化渡槽的设计和施工方法。

1.《水工混凝土结构设计规范》（SL 191-2008).中国水利水电出版社，2009年5月。

2.《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006).中国水利水电出版社，2007年2月。

3.《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997).中国电力出版社，1998年3月。

4.南水北调中线建设管理局.《南水北调中线干线工程预应力设计、施工和管理技术指南》.2012年4月。