武嘉灌区浮庄渡槽改造设计实例

牛 欢

（河南省沙颍河勘测设计院有限责任公司）

1 工程概况

武嘉灌区位于河南省北部，是河南省大型引黄灌区之一。灌区南起黄河，北至卫河，东接人民胜利渠，土地面积398 km2，耕地面积2.49 万hm2，设计灌溉面积2.40 万hm2。灌区受益范围涉及武陟、获嘉、修武3县14个镇，193个行政村，37.10万人，其中农业人口31.40万人。灌区内主要种植作物为小麦、玉米、水稻、花生、棉花和其他经济作物，复种指数1.70。灌区现有引水渠1 条，长0.86 km，设计流量28 m3/s；总干渠1 条，长25.20 km，各级各类建筑物共2640座。

浮庄渡槽位于总干桩号18+550 处，修建于20 世纪70 年代，为3 跨U 型薄壳式，运行时间近四十年，未进行维修和改造，钢筋裸露，上下游连接段及两端裹头坍塌、沉陷，槽身部分构件失效，已满足不了改造后的总干渠运行要求；另外总干渠浮庄渡槽以上部分在前几期节水改造中渠底比降比原来减小（由1/3000 变为1/3500），以下比原来增大（由1/4000变为1/3500），因此该渡槽槽身需要升高，在本次改造中计划重建槽身，加高槽墩，上下游连接段、进出口桥拆除重建，重建裹头。

2 渡槽方案设计

根据灌区灌溉要求，浮庄渡槽设计流量10.86 m3/s、校核流量13.00 m3/s。本次改造渡槽上部采用钢筋混凝土U 型槽，下部结构仍采用原基础。渡槽总长50 m，由进口连接段（长6.00 m）、槽身段（长34 m）及下游连接段（长10 m）组成。槽身段为简支3 跨，中跨10 m，边跨均为12 m，设计U 型槽横断面采用R=1.60 m 半圆+0.96 m 高直墙，厚16 cm。槽顶设人行道板，宽80 cm，厚10 cm。沿槽身纵向每隔2 m 布置一根拉杆，拉杆横截面为16 cm×18 cm。

3 防洪计算

3.1 水文资料

浮庄渡槽下方跨越二干排，二干排是武陟县一条主要的排洪河道，根据《关于对河南省武陟县二干排城区段河道治理工程初步设计的审批》，“设计城区内河道底宽确定为5 m，边坡坡比1：2.00；城区以外河道底宽10 m，坡比1：2.00。城区段河道采用20 a一遇设计洪水开挖主河槽；城区以外河道采用5 a一遇的除涝标准扩挖主河槽，20 a一遇设计洪水增设堤防。”

根据《灌溉与排水工程设计标准》，武嘉灌区工程级别为Ⅲ等，渠道设计流量均在5～20 m3/s 之间，渠道及渠系建筑物级别为4 级。4 级渠系建筑物，防洪标准重现期为10-20 a 一遇。设计取20 a一遇。经计算，渡槽跨越处二干排水位流量关系为设计流量123.74 m3/s，设计水位83.32 m。

据《中国地震动参数区划图》GB18306-2015及相关规范规定，勘察区域内，地震动峰值加速度为0.15 g，相应地震基本烈度为VII度。

3.2 渡槽梁底高程

渡槽梁底应满足设计水位加超高，根据《河南省武陟县二干排城区段河道治理工程初步设计报告》，设计堤防为5级，不允许越浪，安全加高值为0.60 m。设计浮庄渡槽梁底高程为83.99 m，满足设计水位加超高0.60 m要求。

3.3 冲刷与淤积分析计算

根据《公路工程水文勘测设计规范》中推荐的公式，对渡槽的一般冲刷和局部冲刷进行计算，根据渡槽的地质资料情况，经计算，在5%频率下浮庄渡槽一般冲刷是0.83 m，局部冲刷是1.22 m。基础埋深应考虑冲刷深度。

4 水力计算

4.1 槽身断面选择

考虑节约投资、便于施工，增强抗冻、抗裂性能，确定渡槽采用钢筋混凝土U型槽身，按明渠均匀流公式确定断面尺寸。

4.2 水面衔接

通过渡槽的输水水头损失，包括进出口水头损失、槽身沿程水头损失与进出口水面回升三方面。

4.2.1 水头损失Z

水流过渠道渐变段进入槽身时，流速增大，水面发生降落。按淹没宽顶堰计算：

式中：K1－进口段按局部水头损失系数，与渐变段形式有关，本次扭曲取0.10；V、V0—槽身与上下游渠道的流速，m/s。

4.2.2 水头损失Z1

水流经过全槽后水面发生降落，按明渠均匀流计算，槽身长度乘以比降。

4.2.3 出口水面回升

水流经槽身、渠道出口渐变段进入下游渠道因流速减小，部分动能转化为势能，水面回升：

式中：K2－出口局部水头损失系数，取0.20；V1－下游渠道流速，m/s。

4.2.4 总水头损失

4.3 方案选择

为使设计比较合理，现拟定了3 种槽身布置方案，分别进行水力计算。

4.3.1 方案一：按原设计U 形渡槽槽宽（槽宽3.20 m），槽底需下降至低于渠底的计算成果

槽内水深采用为1.59 m，U形槽身宽度3.20 m，与原设计槽宽基本相等，计算槽身比降为1/500。由于槽内水深较大，进出口槽底将低于渠底。上下游渠道水深1.75 m，进口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.34-1.59）=-0.18 m，出口槽底高程低于下游渠底（1.75-0.22-1.59）=0.04 m。上下游渠深2.45 m，本次设计槽深2.56 m，与上下游渠顶基本衔接。该方案虽然进出口槽底低于渠底，但降低高度不多，对输水能力不会有影响，不过在停止输水后槽内将有4 cm 左右深的积水，需要上下游扭曲面连接段底部高程由渠底高程平顺连接至槽底高程。

4.3.2 方案二：出口槽底与渠底相平，U 形渡槽槽宽需加大的计算成果（槽宽3.60 m）

槽内水深采用为1.45 m，计算结果，U 形槽身宽度3.60 m，原设计槽宽需加大约0.40 m。计算槽身比降为1/450，进口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.424-1.45）=-0.12 m，出口槽底下游渠底基本持平1.75-0.30-1.45≈0.00 m，停止输水后槽内将不再存在积水。由于槽内水深较小，槽身净高2.00 m即可满足超高要求，但槽身高度还应满足纵向受力要求，因此可采用与渠深2.35 m等高。由于槽身宽度较大，U形槽身的施工难度也相应加大，造价提高，对施工单位的资质应有相应要求，且宽度增加后需要对下部结构拆除重建，工程量增加较多。

4.3.3 方案三：出口槽底与渠底相平，改为矩形断面槽身

槽内水深采用为1.46 m，计算结果，矩形槽身宽度2.67 m，可采用为2.80 m。进口槽底高程低于上游渠底（1.75-0.396-1.46）=-0.11 m，计算槽身比降为1/424，出口槽底与下游渠底基本持平1.75-0.29-1.46=0.00 m，实际布置可采用出口槽底与渠底相平。输水后槽内也不再存在积水。槽身高度也采用与渠深2.35 m等高。

4.3.4 确定最终方案

经综合比较，方案一渡槽宽度较小，土建工程量少，投资少，安全风险小，与原方案一致，可充分利用原有下部结构减少投资，但停止输水后槽内可能存在积水，对此可通过其他方式解决。方案二及方案三均宽度较大，且需要对下部结构拆除重建，经综合比较工程选择方案一。

5 结构计算

5.1 槽身横向计算

槽身横向内力计算，可沿槽身纵向取单位长度为脱离体，按平面问题进行分析。侧墙与底板的内力随槽内水深变化而改变，且侧墙和底板厚度相等或相差不大时，侧墙底部（也即底板两端）和底板跨中的最大弯矩均发生于满槽水的情况。因此，在上述条件下，槽身横向内力计算时，取最大水深为控制荷载，并近似地将水位取至横杆中心线处。经计算10 m 和12 m渡槽侧墙底端弯矩分别为4.68，4.21 kN·m。侧墙最大跨中弯矩分别为1.14，1.40 kN·m。底板跨中最大正弯矩分别为5.63、6.51 kN·m，底板承受的轴向拉力分别为11.97、12.67 kN。底板按偏心受拉构件设计，其配筋间距宜与侧墙配筋相协调。

5.2 槽身纵向计算

纵向计算中的荷载一般按均布荷载考虑，它包括槽身重、槽中的水重及人群荷载、人行板荷载等（拉杆重集中荷载换算成均布荷载）并按加大流量计算，计算得12 m跨渡槽跨中最大弯距1 465 kN·m，最大剪力522 kN。渡槽纵向按简支梁计算求得内力M、Q，按T型截面受弯构件进行正截面及斜截面强度计算。计算结果均按构造配筋。经过抗裂计算，满足控制要求。

6 结语

渡槽是灌区建筑物中的重要组成部分，部分渡槽是灌区的咽喉工程，工程的好坏直接影响着工程效益的发挥，对于渡槽工程本身的方案选择、工程造价、水头损失、防洪、结构安全等设计时应详细了解水文、地质情况，并按照设计相关规范、法规要求进行设计，从各个方面综合比较，才能达到经济合理，发挥效益的目的。