U型渡槽设计优化

李小东（焦作市引沁灌区管理局，河南 焦作454650）

U型渡槽设计优化

李小东
（焦作市引沁灌区管理局，河南 焦作454650）

小浪底北岸灌区工程总干渠穿越砚瓦河，架设渡槽作为输水建筑物；渡槽架空高，工程质量和耐久性高，作为比选方案之一，拟采用现浇混凝土U型槽身，现浇混凝土排架支撑，钢筋混凝土灌注桩；在施工工艺上，针对跨越山区河流的地形条件，采用钢管模架支撑平台，现场浇筑槽身施工方案。

U型渡槽；结构设计与优化；整体施工方案；小浪底北岸灌区

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.031

1 概述

小浪底北岸灌区砚瓦河支渡槽位于济源市坡头镇境内，总干渠6+552～6+745处跨越砚瓦河支流，渡槽全长193m，纵坡1∶600，设计流量30m3/s。渡槽在交叉断面以上流域面积35km2，防洪标准为20a一遇设计洪水。渡槽级别为3级，地震烈度为Ⅶ度。当地多年平均风速1.3m/s，最大风速17.7m/s。本文以砚瓦河支渡槽为例，对渡槽U型槽身、排架支撑总体方案的设计优化与施工方案进行探讨，作为渡槽比选方案之一。

2 渡槽总体布置

该渡槽位于低山丘陵，两岸地面高程216～223m，沟底高程185m，场区有小路通往乡村公路，交通条件较便利。

砚瓦河支渡槽上接7号隧洞，下连8号隧洞，渡槽与隧洞通过20m暗渠相连。渡槽、暗渠、隧洞呈直线型，水流平顺。渡槽与砚瓦河支流河道呈正交，砚瓦河支流在渡槽下游500m处汇入砚瓦河处，河势平顺。砚瓦河支渡槽上部结构工程主要由进口渐变段、槽身段、出口渐变段三部分组成，分别为C30钢筋混凝土矩形流槽、C40钢筋混凝土U型槽结构和C30钢筋混凝土矩形流槽，全长193m。

3 渡槽上部结构

渡槽结构型式应根据渡槽级别、规模、地形、地质、地震、建筑材料、施工方法、环境条件、运行管理要求等因素，因地制宜、技术经济比较后确定。

砚瓦河支渡槽上游侧为黄土台地，下游侧为自然山坡，局部基岩出露。梁式渡槽整体受力好、造价低、施工维护方便；拱式渡槽和斜拉式渡槽，投资也相对较大；桁架式渡槽杆件制作较为复杂困难，混凝土弦杆杆端铰接处受力复杂，容易开裂。因此初步选定砚瓦河支渡槽上部结构采用梁式渡槽[1]。

梁式渡槽在受力体系上，又可分为简支渡槽和连续渡槽两种。考虑到砚瓦河支渡槽槽体结构断面尺寸大、荷载大、沉降变形影响因素较为复杂，为减少不均匀沉降对槽体结构应力影响，降低施工难度，简化结构受力条件的角度出发，选用渡槽槽身采用简支结构。

3.1 槽身尺寸的确定

渡槽的跨度选择应符合技术经济合理的要求，钢筋混凝土简支梁结构的经济跨度为8～15m；预应力混凝土结构经济跨度为25～50m。初步拟定采用现浇钢筋混凝土槽身，渡槽跨度选用15m。砚瓦河支渡槽平均高度20m，渡槽下交通路净空满足道路交通要求。

渡槽槽身断面形式分矩型槽身、U型槽身、箱型槽身等，具体采用哪种截面形式要综合考虑受力特性、渡槽规模、槽下净空及施工等多方面因素决定。槽身正截面抗裂要求高，在槽身内壁表面不允许出现拉应力，槽身外壁表面拉应力应＜混凝土轴心抗拉强度设计值的0.9倍。小浪底北岸灌区总干渠现有南沟渡槽、仙口河渡槽采用箱型槽身；砚瓦河渡槽、大沟河渡槽采用矩型槽身。为考虑渡槽美观、外形差异、经济合理等因素，初步选用U型槽身，槽身宽深比为0.9。砚瓦河支渡槽设计过水流量30m3/s，根据水力学计算，槽身净深3.6m，净宽4.0m，渡槽设计水深2.8m，宽深比和整体受力较为合理。槽身内壁半径2.0m，壁面厚0.25m，直段高1.6m；顶梁宽0.3m，高0.5m；渡槽顶部沿纵向每2m设置1根0.3m×0.3m的拉杆。槽身在支座断面处为矩形为，厚0.55m厚，顺槽身方向长0.6m。

3.2 槽身内力计算

U形槽身纵向应力计算时，需先求出截面形心轴位置及形心轴至受压区和受拉区边缘的距离y1和y2(见图1、图2)，再按下式计算。

图1 截面形心轴位置及形心轴至受压区边缘的距离y1示意图

图2 截面形心轴位置及形心轴至受拉区边缘的距离y2示意图

对于较重要工程，按式(3)作抗裂验算：

式(3)中，I0为换算截面惯性矩；y'2为换算截面形心轴至受拉边缘距离。

U形槽身的纵向配筋一船按总拉力法计算，即考虑受拉区混凝土已开裂不能承受拉力，形心轴以下全部拉力由钢筋承担。

U型薄壳渡槽槽身横向内力计算一般是将槽壳作为一次超静定结构的铰接曲杆框架结构，用力法先求出横杆的多余未知力，然后利用静力平衡方程计算各截面的弯矩和轴力。槽身各截面根据内力的不同，分别为偏心受压和偏心受拉构件，一般以最大负弯矩截面和最大正弯矩截面最为计算控制截面，分别进行槽壁内侧及外侧的配筋及抗裂计算。

3.3 电算软件的使用

河南省水利勘测设计研究有限公司熊启钧编写的“U型薄壳渡槽结构计算程序”，界面直观，应用简便，对本次渡槽结构的优化起到很大的帮助[2]。

4 渡槽下部结构

渡槽槽身单跨长15m，渡槽下部支撑采用现浇钢筋混凝土单排架。钢筋混凝土单排架高度不超过20m，高于20m的采用组合墩方案，下部为重力墩，上部为单排架。排架柱顺水流方向宽度b=0.8m，垂直水流方向高度h=0.5m，排架柱中心距离4.0m；排架横梁间距4m，横梁宽0.5m、高0.5m。

排架纵向（顺水利方向）按中心受压构件计算，并考虑纵向弯曲的影响；渡槽槽身按简支梁设计，柱顶压力分布按近似三角形分布考虑。渡槽排架在施工阶段或运行阶段会出现偏心受压情况，需要校核这两种情况偏心荷载荷载影响。排架横向为单跨多层框架，节点水平荷载主要为风荷载，河道汛期洪水位较低，不考虑水压力。为缩短槽跨，满足槽身端肋支撑要求，降低排架头的承压应力，排架头部伸出悬臂短梁，顶部宽1.3m。槽身与盖梁之间设GPZ系列盆式橡胶支座。

5 基础设计方案

砚瓦河支渡槽地貌单元属低山丘陵，两岸地面高程216～223m，沟底高程185m，场区有小路通往乡村公路，交通条件较便利。砚瓦河支渡槽场区地层上覆第四系黄土和坡积碎石，下伏中三叠统二马营组砂岩、泥岩，为土岩双层结构，按岩性共分3个地质单元，自上而下分别为：黄土、碎石、泥岩、砂岩互层。工程区地下水赋存于三叠系基岩中，属基岩裂隙水，埋深1.1～2.8m，对砼无腐蚀性。场区地质结构为土岩双层结构，地层空间分布相对稳定，下部泥岩砂岩互层承载力高，上部黄土、坡积碎石承载力略低[3]。

钻孔灌注桩基础结构简单，承载力较高，抗震性能好，沉降量小且荷载分布均匀，可适用于各种硬、软土层，施工设备简单、操作方便，可在多工作面同时展开，施工工期较短，故选定渡槽基础为钻孔灌注桩桩基础。

根据砚瓦河支渡槽工程区的地质情况，桩基础按端承桩进行设计。承台顺槽向宽1.6m，横槽向长5.6m，厚度1m，承台下设2根钻孔灌注桩，直径0.8m的钻孔灌注桩，间距4m，灌注桩沉入新鲜岩石面应＞1m。

6 渡槽施工方案

钻孔灌注桩工艺成熟，质量控制稳定，采用泥浆护壁施工法。该施工法过程是：平整场地→泥浆制备→埋设护筒→铺设工作平台→安装钻机并定位→钻进成孔→清孔并检查成孔质量→下放钢筋笼→灌注水下混凝土→拔出护筒→检查质量。

混凝土排架柱采用现场立模浇筑，以每个联系横梁为单元，分段浇筑。施工过程：钢筋绑扎→模板安装→混凝土浇筑→拆模与养护。

U型渡槽槽身施工：渡槽跨越河流为山区河流，岸线变化大，虽然附近有交通道路，但大型起重机无法进场和施工，故采用106mm钢管、配合贝雷梁搭设施工平台，然后在平台上现场浇筑槽身。施工过程如下：平整场地→基础垫层→架设钢管→铺设贝雷梁→安装施工平台→加载预压→安装外模板→绑扎钢筋→安装内模板→浇筑混凝土→拆模与养护。

7 结语

每个水利工程都要融入是当地自然环境的中，和附近自然组成和谐的风景。因此，在工程设计中，不仅要考虑技术先进、经济合理，更应该考虑景观艺术。在砚瓦河支渡槽的设计过程中，进行多方案必选也是必须的。本文以砚瓦河支渡槽为例，详细分析了渡槽整体布置，推荐选取了该渡槽较适合的结构型式、断面形式、跨径布置与建议施工方案等，为工程实施作了许多优化研究。本方案作为渡槽必选方案之一，也可供其他工程渡槽设计方案拟定借鉴和参考。

【1】SL482—2011灌溉与排水渠系建筑物设计规范[S].

【2】熊启钧.灌区建筑物的混凝土结构计算[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

【3】崔凤友.渡槽支撑排架设计示例[J].黑龙江水利科技，2010(5)：5-6.

Optimum Design of U Type Aqueduct

LIXiao-dong
（JiaozuoCityQinIrrigationManagementBureau，Jiaozuo454650，China)

Xiaolangdi irrigation project on North Main Canal crossing the river the tile inkstone, erecting aqueduct as waterconveyance structure; high aerial flume, engineering quality and high durability, as than choose one of the options, intends to use thecast-in-place concreteU-shape groove, cast-in-place concrete bent frame bracing and reinforced concrete pouring of concrete pile; inthe construction process, for across themountainous river terrain conditions, the steel formwork supporting platform, on-site pouringgroove constructionscheme.

Utype aqueduct; structural design and optimization; overall construction plan; theNorthBank of theXiaolangdiDamarea

TV672+.3

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1007-9467（2016）12-0113-03

2016-06-28

李小东（1972～），男，河南济源人，工程师，从事水利施工技术研究。