鄂北水资源配置工程2016年11标龙泉河渡槽的设计与优化

王振光 张淑鹏 王 敏 王彩艳

湖北省鄂北水资源配置工程是从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，向沿线城乡生活、工业和唐东地区农业供水，解决鄂北地区干旱缺水问题的一项大型水资源配置工程。工程线路整体呈西北—东南方向。先后穿越襄阳市、襄州区，枣阳市，随州市、曾都区和广水市，线路总长度269.67km，输水干渠设计流量1.8～38m3/s。工程主要建筑物由取水建筑物、明渠、暗渠、隧洞、倒虹吸、渡槽和节制闸、分水闸等水工建筑物组成。龙泉河渡槽段桩号232+770—233+500，渡槽长度0.73km。渡槽设计流量7.4m3/s，槽底纵坡1∶3500，设计水深2.1m。渡槽进、出口渐变段长8m和12m，槽身长710m，设4cm伸缩缝，每跨长15m和10m，共48跨，设计为单孔矩形槽，采用现浇钢筋混凝土结构形式，建筑物级别为3级。

1 水文、气象、地质资料

龙泉河渡槽位于湖北省广水市，年平均气温15.5℃，年均降水990mm，多集中于夏季，冬季少雨雪，寒冷且多风。

槽址处地下水类型主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙水：主要分布在第四系松散堆积物中，赋存在山坡残积层及冲沟冲积层中的地下水，主要由大气降水及泉水补给，以蒸腾蒸发及补给河水和基岩裂隙水的形式排泄，水量较贫乏。基岩裂隙水：主要分布在基岩的构造裂隙、风化裂隙中，水量较贫乏，且不均衡，主要靠大气降水或河水补给，河床为其排泄基准面。

场区土层上部为堆积黏性土、淤泥质壤土、砂卵（砾）石等，下部为绢云钠长片岩或变辉长辉绿岩。

根据GB18306—2001《中国地震动参数区划图》，工程区地震动峰值加速度小于0.05g，相应地震基本烈度小于Ⅵ度，区域稳定性较好。

2 龙泉河渡槽的设计与优化

2.1 结构型式

2.1.1 上部结构

原招标设计槽身结构横断面为带有侧肋的矩形结构，带侧肋施工模板复杂，工期相对较长，因此，施工图阶段对原设计进行了优化，为施工提供了方便，并通过计算，满足规范要求。渡槽单槽内轮廓尺寸3.3m×2.7m（净宽×净高），外轮廓尺寸4.3m×3.35m。渡槽为简支梁式单箱矩形渡槽，横断面为有拉杆肋板式矩形渡槽。槽身采用C30W6F150混凝土。优化后的槽身结构如图1、2所示。

2.1.2 下部结构

基础设计洪水标准为30年一遇频率，校核洪水标准为100年一遇频率。槽墩分别为排架和实体形式，基础为钢筋混凝土灌注桩。槽墩最大高度25m。每个槽墩下设置两根直径1.2m的钢筋混凝土灌注桩，中心距3.55m。墩帽及墩身采用C30F150混凝土；承台采用C30F150混凝土。在龙泉河及龙泉河支流处墩身采用实体墩身。

原招标设计基础均为桩基础，长度为15m。施工图阶段对地质进行了复测，根据地质、地形等资料，考虑设计安全、施工难度等因素，在河床段，即轴线14～25和轴线37～45，槽墩基础采用桩基础，桩基础为嵌岩桩，桩端作用在变辉长辉绿岩弱风化层或绢云钠长片岩弱风化层；在河床两岸，即轴线0～13、轴线26～36和轴线46～48，槽墩基础采用扩大基础，基础作用在变辉长辉绿岩强风化层或绢云钠长片岩强风化层。如图3所示。

图1 优化设计后槽身结构立面图（单位：cm）

图2 优化后槽身结构体型图（单位：cm）

图3 渡槽槽墩体型图（单位：cm）

2.2 附属结构

2.2.1 支座

支座是连接渡槽上部结构和下部结构的重要部件，主要作用是将上部结构的恒载与活载反力传递到槽墩上，同时保证结构所要求的位移和转动。龙泉河渡槽招标设计采用盆式橡胶支座，盆式橡胶支座具有承载能力大，水平位移量大、转动灵活等优点，一般用于大跨度或流量较大的渡槽，或地震烈度大的地区。龙泉河渡槽所处地区地震基本烈度小于Ⅵ度，跨度数量多，流量较小，跨度分别为15m和10m，因此，施工图阶段进行优化，采用板式橡胶支座和聚四氟乙烯滑板式橡胶支座。由于是简支梁式渡槽，每节槽身一端设固定支座，另一段设置活动支座，固定支座设置在沿槽身纵向高程较低的一端。经计算，选用的支座能够满足有关规范的要求。渡槽支座的选用为工程节省了投资。

2.2.2 止水

槽身与进出口建筑物之间及各节槽身之间设置伸缩缝，接缝止水失效是引起渡槽渗漏的首要原因，从而影响渡槽的安全运行，因此，接缝止水的设置非常重要。止水设置既要能适应变形的需要，又要能防止漏水，做到严密可靠，渡槽接缝止水是设计需要考虑的重要环节。

槽身的止水形式很多，一般分为搭接型和嵌缝型两大类。龙泉河渡槽伸缩缝宽度为4cm，渡槽标准段及渐变段均采用两道止水的措施，第一道，设置在渡槽内侧，采用压板式止水，止水带中U型部分根据接缝变形量设计，该种止水方式应用广泛，止水效果好，抗绕渗能力强。第二道采用紫铜片止水，这种止水方式抗腐蚀能力强，强度高，能承受较大变形。

2.3 结构计算

渡槽上部结构设计荷载：结构自重、槽水自重、静水压力、动水压力、风压力、人群荷载、温度作用、混凝土收缩、徐变影响力、地震荷载。

2.3.1 基本组合

2.3.1.1 持久状况

槽中为设计水深、有风工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载。

2.3.1.2 短暂状况

（1）槽中无水、有风、检修工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载。

（2）槽中为满水、无风工况作用下槽身或支承结构的各种荷载。

（3）渡槽施工、有风工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载。

2.3.2 偶然组合

（1）槽中为设计水深、地震、有风工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载。

（2）槽中无水、有风、漂浮物撞击工况下作用于槽身或支承结构的各种荷载。

进行正常使用极限状态验算时，应按荷载效应的短期组合及长期组合分别验算。

槽身结构计算首先采用结构力学的方法，将槽身分为纵向和横向，分别按平面力系假定进行内力计算，通过计算，渡槽槽身纵、横向结构均能满足承载力极限状态及正常使用极限状态要求，为了对计算成果进行进一步复核，龙泉河渡槽设计采用SAP8450结构计算分析通用程序进行了整体计算。上部主体结构为三维杆件单元。渡槽上部结构顶板、底板、侧墙采用板壳单元，帽梁、桥台、承台、桥墩等采用梁柱单元和板壳单元进行模拟。根据岩基抗力系数，采用弹簧支座模拟桩基础受力状态，整体建模。

模型采用渡槽5跨结构建模，进行整体模型运算。计算模型如图4所示。

图4 SAP8450结构计算分析通用程序渡槽建模模型

计算结果：根据程序SAP8450设计结果分析，板壳应力状态均满足抗裂设计要求。结构受力均满足规范设计要求。梁、板、柱、桥墩等配筋满足规范要求，如图5～7所示。

图5 SAP8450结构计算分析x方向渡槽应力（单位：kPa）

图6 SAP8450结构计算分析y方向渡槽应力（单位：kPa）

图7 SAP8450结构计算分析位移图（单位：m）

3 施工要点

渡槽是由进出口建筑物、基础、支承结构及架空输水槽身等若干部分组成，龙泉河渡槽槽墩分别采用排架和实体墩，基础采用扩大基础和钻孔灌注桩基础。施工顺序为钻孔灌注桩—承台—排架或实体墩—槽身—栏杆，施工中严格规范施工程序。浅基础开挖，为防止坑壁坍塌，可对坑壁做临时支撑。钻孔灌注桩的施工，一般包括钻孔、清孔、钢筋骨架绑扎与架立、灌注混凝土等项，钻孔达到设计深度，灌注混凝土前，严格控制沉渣厚度，对于端承桩，不应大于50mm，对于摩擦桩不应大于100mm，对抗拔、抗水平力桩，不应大于200mm。应严格控制桩孔浇筑混凝土的塌落度。槽墩施工可采用滑升模板法或爬升式施工方法。

龙泉河渡槽为现浇混凝土矩形槽身，槽身混凝土全部以现浇方式进行，槽身模板和钢筋安装是施工的重要环节，绑扎、焊接、绑扎数量、间距等应严格按照设计要并符合有关规范要求，槽身混凝土浇筑，采用插入式振捣器振捣，为保证混凝土浇筑质量，浇筑过程中应严格控制水灰比和塌落度，支撑模板应牢固，防止跑模，混凝土搅拌均匀充分。拆模后挂草袋洒水养护或喷混凝土养护剂进行养护。

止水施工时，保证紧固面平整，紧固力大小合适，保证施工质量，保证止水充分发挥作用，做到不漏水，且适应接缝变形的性能。

4 结语

由于龙泉河渡槽结合了地形、地质、水文等资料进行设计，布置合理、灵活，从整体到细节，考虑全面。并在满足规范的基础上进行了优化设计，为工程节省了投资，为施工提供了方便、快捷的途径，确保了工程的工期。现龙泉河渡槽正在顺利施工中。