普溪河渡槽设计与施工技术研究

刘明忠，李 锋，陈崇德

（湖北省漳河工程管理局，荆门 448156）

1 概况

东风渠灌区位于湖北省宜昌市东南部，灌区国土面积2437km2，人口63.85万人，耕地面积7.9万hm2，其中有效灌溉面积6.84万hm2，主要水源从长江北岸一级支流黄柏河东支的尚家河水库引水。

普溪河渡槽位于湖北省宜昌市夷陵区分乡镇普溪河村，宜昌市东风渠灌区总干渠桩号11+830～12+833.42处。全长1003.42m，其中进口明渠段58.11m，进口渐变段15m，进口连接段30m（2节×15m），预应力渡槽段800m（单节40m×20节），出口连接段15m（1节×15m），出口转弯段70.31m，出口渐变段15m；渡槽大高度61.5m，纵坡1/600，设计流量15.0m3/s，加大流量18.0m3/s； 槽身断面为矩型，断面尺寸4.3m×3.45m（宽×高），槽身净空尺寸3.1m×2.6m（宽×高），侧壁最小截面宽度0.3m，预应力简支梁结构； 槽身结构为C50W4F100钢筋混凝土整体浇筑，采用DZS40/500上行式矩形造槽机在原位置逐跨浇筑。

2 普溪河渡槽设计

2.1 普溪河渡槽现状

原渡槽建于1970年，经过40多年的运行，槽身、底板、排架混凝土大面积剥蚀，钢筋裸露，老化损坏严重。槽身混凝土强度范围在9.5～19.4MPa，碳化平均深度25.2mm，排架立柱混凝土强度范围14.7～20.5MPa，碳化平均深度23.7mm，槽身底板横向、侧墙纵向配筋，斜截面抗剪强度不满足现行规范要求，渡槽在现状工况下处于不安全运行状态，需要拆除重建。

2.2 普溪河渡槽设计

2.2.1 槽身设计

采用单孔空箱简支结构，顶部设通气孔，每节槽身设25束钢绞线，两端各预留0.6m待张拉完成后进行第二期混凝土浇筑，可利用造槽机机械化施工。

2.2.2 槽墩排架设计

槽墩高度小于15m的采用单肢排；墩槽高度小于35m的采用双肢排架；墩槽高度大于35m的采用空心墩；墩槽高度大于45m的采用空心墩与实心墩相结合的结构形式。其中排架柱、基础、实心墩及墩帽采用C30混凝土，空心墩采用C40混凝土。

2.2.3 槽墩

依据地质条件和槽墩高度，槽墩采用明挖扩大基础，采用钢筋混凝土灌注桩，桩径1.2m，间距4.3m，垂直水流方向布置3排，间距3.7m，桩深入微风化层3m以下。

2.2.4 槽身结构设计

槽身水力计算采用明渠均匀流公式。槽身结构设计断面尺寸如图1。

图1 槽身断面尺寸

可沿槽身纵向取1.0m长的脱离体，按平面要求进行横向计算。作用在脱离体上的荷载两侧的剪力差平衡，侧墙与底板交结处可视为铰接，槽内水位取至槽顶作为控制条件，按不利断面进行配筋计算［1］。

支撑结构设计按最不利工况为满槽+横向风荷载计算。

普溪河渡槽采用简支梁结构设计方案，对槽身及支承结构的形式和最小配筋进行了分析计算。该方案结构设计简单，技术成熟，风险系数和施工难度系数较小，有较好的经济性和实用性。

3 普溪河渡槽施工技术

3.1 小截面槽身高标号混凝土配合比研究

3.1.1 普溪河渡槽混凝土浇筑特点

①设计为高标号混凝土（C50）；②槽身断面尺寸小，其中侧墙厚度仅0.3m；③最大高度61.5m，风压高度变化系数1.86； ④受横穿主梁的悬挑外肋及挑梁阻挡影响，混凝土入仓进料孔间隙小，难以采用天泵直接入仓浇筑；⑤跨度较大，现浇预应力混凝土。因而混凝土浇筑工程难度较大［2］。

3.1.2 配合比试验

依据当地可供的、经检验合格的不同产地的水泥、细骨料、粗骨料、煤粉灰、抗裂掺和物、外加剂等原材料，以及防渗、抗冻、抗裂等要求，拟定15种不同的配合比，每种配合比试块为6组，在不同温度条件下进行对比试验，分别求得各混凝土试块初凝、终凝时间，4h（因底板混凝土浇筑时间在4h左右）塌落度经时损失值，以及养护3，7，28d后的混凝土抗压强度等。经过分析，最终选定适合于工程特点的配合比，即每立方米混凝土中，水泥、煤粉灰、江砂、黄砂、碎石、外加剂、水、纤维素的比例为1∶0.128∶0.298∶1.19∶2.23∶0.027∶0.362∶0.0019。

3.1.3 槽身混凝土实测指标

11#～22#槽身混凝土实测指标如表1。

表1 11#～22#槽身混凝土实测指标

其中19#～22#槽身混凝土浇筑时，内模温度较高，不便于人工操作，采取了通风设备后，温度有所下降。

按上述混凝土配合比，并满足一定的施工条件，混凝土的和易性、泵送性、坍落度、扩散度、抗压强度等各项性能指标均满足设计要求，能较好的指导施工［3］。

3.2 造槽机结构设计优化

依据普溪河渡槽为大跨度、小截面、端部高、矩形封闭式箱梁槽身等施工特点，对DZS40/500造槽机结构进行设计优化［4］。

3.2.1 箱式导梁改为桁架形式

由于主梁与导梁截面突变，导致在主梁与导梁下部连接处产生的冲击应力集中问题较突出，优化的方法是：（1）通过焊接拼接板并用高强螺栓与主梁连接；（2）将导梁改为桁架结构，降低工程造价；（3）增加主梁与桁架结构间连接的渐变段，逐步改变受力形式。

3.2.2 延长主梁下部受力支撑区域截面加强范围

在实际操作过程中，受造槽机加工、安装及各支撑位置水平精度和混凝土浇筑面平整度误差等因素影响，各支点难以做到绝对水平，导致各支点间内力呈随机紊乱分布状态，尤其是2#支腿一旦出现支垫超高，在过跨后期3#支腿提前脱空，将导致2#支腿对应的主梁下部未加强区域承受超设计荷载，极有可能出现局部失稳的问题。优化的方法是：从导梁连接处起往3#支腿方向延伸至35m范围，增加主箱梁下部支撑面与腹板内外侧倒角筋板及竖向截面强化筋板，并加强横向、竖向筋板间等。

3.2.3 增加内模系统倒角盖模

造槽机出厂时因考虑自动收缩折叠，故未在内模倒角接触部位设计盖模。在浇筑第二层混凝土过程中，内模倒角易翻出大量的混凝土，其侧向压力对已平仓的混凝土（第一层）形成扰动，既降低了槽身混凝土的浇筑质量，也增加了清理工作量，同时也延长了槽身混凝土浇筑时间。优化的方法是：底板混凝土浇筑完成后，在倒角模板外侧增加盖模，盖模一侧嵌入倒角模板底边2cm处固定，外侧采用钢管顶撑模板。经过试验对比，确定盖模宽度为0.4m，确保了内倒角浇筑质量，缩短了浇筑时间，且操作简单。

3.2.4 解决造槽机内外模板系统变形的问题。

DZS40/500造槽机安装完成后，内模系统由于整体刚度较强，造成上下游两端部约0.25m不能向下调整到位以及内外模的变形过程不一致。其后果可能是：浇筑完成的槽身顶板厚度不够（设计0.25m，浇筑完成后0.225m），底板过水面保护层过大 （设计0.05m，浇筑完成后0.075m＞规范0.0625m），进一步还会影响到槽身底板设计纵坡（如图2），导致水的流态发生变化，危及槽身的结构安全。

图2 槽身纵坡曲线示意

优化的方法是： 增加连接限位杆将内梁上下游两端由原来50t千斤顶支撑在墩帽上的方式。改为由吊杆直接与主梁连接，内梁受力方式由上下端2支点、中部4吊点（如图3），优化为上下端2吊点、中部4吊点（如图4）的方案，将内梁通过连接杆悬挂于主梁底部，形成整体联合受力，既解决了变形不一致的问题。也解决了槽身顶板和底板保护层厚度的问题，满足设计纵坡的要求。

图3 造槽机上下端2支点、中部4吊点示意

图4 造槽机上下端2吊点、中部4吊点示意

3.2.5 增设外模顶口线可调节杆件

造槽机外侧上部行走平台外檐与外肋之间配置了48个顶丝，但未设计顶丝固定和拉回装置，施工中发现顶丝调节模板线条时，很难协调一致，效果不明显；又由于无固定装置，混凝土振捣棒振捣时，顶丝容易掉落，给下方通过的人、车造成了安全隐患。优化方法是：在外模顶口、外肋上焊接固定耳板座，设48个可调节撑杆替换所有上口顶丝，并按45°角布置，其操作性简单，稳定性、安全性可靠，线条顺直易于控制。

3.2.6 增加高空避雷装置和安全防护设施

造槽机未设计高空避雷装置，雨季施工时设备和施工人员均存在重大安全隐患。解决的办法是增设高空避雷装置和开、合方便的上部顶棚；墩帽是施工过道和平台，造槽机未设计安全防护设施，解决的办法是在墩帽增设安全防护栏。

优化后的DZS40/500造槽机主要由主梁、外模系统、内模系统、1#～4#支腿、端模、起升小车、电气系统、液压系统、配重块及其他附属结构等组成。主梁由4#支腿和1#支腿分别支撑与上下游两个墩帽顶部，横穿主梁侧面设有12根挑梁，挑梁上悬挂有外肋，外肋在挑梁上横移实现外模的开、合模功能，当外模合拢时可形成40m跨的槽身的施工平台； 当外模张开时，主梁携带外模系统由有行走功能的3#腿和2#腿的液压动力驱动下移动过跨； 另外起升小车可承担垂直运输任务，移动2#腿前后运动，无需配备其他设备。

3.3 大跨度小截面预应力槽身造槽机施工混凝土浇筑

3.3.1 混凝土浇筑难点分析

（1）普溪河渡槽单跨槽身混凝土浇筑量较大，浇筑时间较长。经计算，单跨槽身混凝土量约200m3，浇筑时间约需12h左右。

（2）由于截面狭窄、钢筋及波纹管布置密集，混凝土入仓及振捣棒振捣的空间窄小，稍有不慎就会出现质量问题。

（3）混凝土在浇筑时除保证其强度、抗渗和抗冻等指标外，还必须具有较大的坍落度及较长的缓凝时间。

（4）为避免浇筑过程中产生翻浆现象，保证混凝土浇筑密实，无蜂窝、麻面、孔洞及表面温度裂缝等问题，需制定合理的浇筑及振捣方案和科学完善的混凝土养护措施［5］。

3.3.2 工艺研究

经过多方案比较、论证，不断试验、探索，DZS40/500上行造槽机在每一节预应力槽身施工流程如下：

（1）首跨施工工艺流程：施工准备→梁体拼装→内、外模安装调试→预压试验→外模安装调试→底板及侧墙钢筋制安、布置预应力波纹管→内模系统就位及固定→顶板钢筋制安、布置预应力波纹管→混凝土浇筑及养护→预应力张拉锚固→灌浆封锚。

（2）标准施工工艺流程：上跨施工完成→造槽机过跨及就位→外模安装调试→底板及侧墙钢筋制安、布置预应力波纹管→内模系统就位及固定→顶板钢筋制安、布置预应力波纹管→混凝土浇筑及养护→预应力张拉锚固→灌浆封锚→二期混凝土浇筑。

3.3.3 关键点控制

（1）造槽机过跨、安装。

很快一个月过去了，当我把变卖废纸所得的56元钱高高举在孩子们面前时，大家一个个兴奋不已，甭提有多自豪了。

（2）内外模调试。

（3）钢筋与预应力波纹管制安。

（4）内模系统就位及固定。

（5）混凝土浇筑分层控制（第1层底板、第2层倒角、第3~7层侧墙、第8层顶板），如图5。

（6）混凝土养护。

图5 40m槽身浇筑层划分示意

3.4 混凝土裂缝预防

（1）原材料选择与混凝土配合比试验。对原材料进行比较优选，对拟定的各种配合比方案进行试验，在满足混凝土可施工性能的基础上减少水化热量。

（2）温度控制。采取喷洒水雾、设置遮阳棚等方式，降低骨料、水和掺和料的物理温度；在搅拌车上部及泵管上覆盖遮阳材料并定时洒水，降低混凝土入仓温度；槽身混凝土拆模前，控制内部与外部温度差＜15 ℃；改善混凝土的拌合加工工艺，控制混凝土出机口温度等； 通过试验建立混凝土出机口温度与现场浇筑温度之间的关系，并采取有效措施减少混凝土运送过程中的温升等。

（4）加强混凝土养护。保温养护：采取钢模外贴30mm厚聚氨酯保温板，混凝土面层覆盖两膜两毯一油布的保温措施，混凝土内外温差不大于15 ℃；保湿养护：适时补充与混凝土同温度的养护水；设置遮阳和挡风设施，避免薄壁结构高应力区出现温度裂缝等。

3.5 预应力结构设计与张拉方案优化

3.5.1 预应力损失构成

普溪河渡槽为大跨度预应力渡槽，预应力损失主要有：钢束与管道间摩擦引起的摩阻损失；锚具变形，钢丝回缩引起的锚固损失；分批张拉时，混凝土弹性压缩引起的损失；钢筋松弛引起的应力损失、混凝土收缩徐变引起的应力损失等。

3.5.2 张拉计算方案

采用大型通用空间有限元软件MIDAS/Civi对各张拉方案进行仿真分析，在槽身顶部、侧墙、底梁、底板等部位，分析不同张拉顺序，不同张拉步骤对预应力的损失，寻求钢绞线合理的张拉顺序及布设，最终确定采用对称张拉方案用于工程施工。

监测与理论计算结果数据相差不大，并有较好的正相关关系［6］。

4 普溪河渡槽效益分析

4.1 社会效益

（1）供水效益明显。普溪河渡槽的运用，引水流量由12.5m3/s恢复到15.0m3/s，满足灌溉用水需求；同时将上游明渠正常运行水位降低了0.57m，提高了渠道运行安全系数；改变了老渡槽带病运行的状况，减轻了管理工作难度。

（2）利用大跨度小截面预应力渡槽造槽机施工，解决了常规方法模板支撑结构施工的难度，特别是高度较高的渡槽，其支撑结构工程量大，且受天气条件的制约。

（3）DZS40/500造槽机自动化控制程度较高，极大地减少、减轻了高空作业的工作量，提高了施工安全保障。

（4）在施工中提出并优化的项目，如：箱式导梁改为桁架形式，延长主梁下部受力支撑区域截面加强范围，解决造槽机内外模板系统变形的问题，增加内模系统倒角盖模，增设外模顶口线可调节杆件，增加高空避雷装置和安全防护设施等，均被造槽机生产厂家采纳，对于持续推进造槽机设备在水利工程中的应用有一定意义。

4.2 经济效益

（1）节省投资。经分析，与T梁+上部浇筑槽身的方案相比，造槽机方案主要减少了人工、材料和特种机械的资金投入，预应力槽身共20节，平均每节槽身节省投资36.316 万元，20节槽身共节省投资726.32万元。

（2）缩短工期。造槽机过跨及外模合拢仅需1d，即可为后续施工工序提供施工平台； 同时槽身C50W4F100钢筋混凝土7d可达到设计强度的90%左右，即可进行张拉，总工期缩短2个月左右。

4.3 生态环境效益

减少了植被破坏面积。采用造槽机施工，减少了槽身原位现浇下部支撑结构及支撑材料加工、堆码场，椐测算，减少了施工扰动造成的水土流失面积约2万m2。

5 结语

采用DZS40/500造槽机在大跨度小截面预应力槽身混凝土施工，依据工程质量、安全保证的需要，不断对造槽机进行设计优化，确保了工程施工的顺利进行和按时完成，为类似工程的施工提供了可资借鉴的经验，同时将水利工程施工与科学研究结合起来，符合水利工程建设与可持续发展的趋势。