夹岩水利枢纽工程白甫河高大跨管桥拱圈锚碇结构设计与应用

任明武 徐青松 谭九月

摘要：在夹岩水利枢纽工程白甫河高大跨管桥拱圈施工过程中，为了给拱圈悬臂浇筑节段提供充足的锚固力，又可降低工程施工成本，根据两岸桩基、镇墩等永久构筑物布置，结合施工现场的实际地形、地质条件，采用了混合式锚碇结构和新型预应力锚碇结构。目前管桥拱圈已安全顺利合龙，施工过程中的监测数据表明锚碇结构和管桥拱圈状态正常，说明混合式锚碇结构和新型预应力锚碇结构结构设计合理，施工质量良好，结构安全可靠，并保证了拱圈的施工安全、进度和质量。

关键词：混合式锚碇结构;预应力锚碇结构;高大跨管桥;拱圈;夹岩水利枢纽工程

中图法分类号：U448.22文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.07.007

文章编号：1006 - 0081（2021）07 - 0034 - 06

党的十八大以来，随着经济的高速发展和对生态环境的重视，各地对水资源的需求和重视程度越来越高，中国的大型输配水工程建设也逐渐增多。其中，输水建筑往往长达几百公里，沿线会经过不同的地质构造，如跨越河流及峡谷，使水利工程的设计和施工的难度增大。如何选择最经济、合理的跨越河流及峡谷的水工建筑结构和相应的施工方案成为水利工程研究的重点。斜拉扣挂挂篮悬臂现浇施工技术因其能够适应于各种复杂的地形环境，且具有结构整体性好的优点，成为了近年来发展较快的一种拱桥施工方法，虽然在交通工程建设领域的应用很广[1-3]，但还未在水利工程领域推广应用。在管桥（水利工程中称为“管桥”，交通工程中称为“拱桥”）拱圈悬臂现浇施工过程中，需要采用斜拉索来确保悬臂端受力平衡，而锚碇作为锚固斜拉索的重要结构，直接关系到拱圈的施工安全和线形质量[4-8];一些工程学者或技术人员也结合工程实例，对拱桥施工时锚碇结构的设计和施工进行过比较详细的论述或探讨[9-12]。现以夹岩水利枢纽工程白甫河倒虹管工程跨河管桥的建设为例，对复杂地形、地质条件下高大跨管桥拱圈施工时的锚碇结构设计与应用进行了分析和总结，以期为类似工程提供借鉴。

1工程概况

1.1工程概述

白甫河高大跨管桥是贵州省夹岩水利枢纽及黔西北供水工程北干渠上白甫河倒虹管工程的跨河段部分，白甫河倒虹管全长1 152.2 m，设计流量为31 m3/s。跨河段部分为管桥上铺2根直径 3.1 m的压力钢管过水，为钢筋混凝土悬链线无铰箱型拱桥，净跨径180 m，净矢高36 m，净矢跨比1/5，拱圈采用C55钢筋混凝土单箱双室结构形式，箱型截面宽8.0 m、高3.2 m。拱圈共分成29个现浇节段，其中拱脚0号节段采用钢管支架现浇施工，两岸1～13号节段均采用斜拉扣挂挂篮悬臂现浇施工;跨中合龙段长2 m，混凝土设计方量为20 m3，采用进口岸挂篮底篮进行施工;施工过程中需对进、出口岸的0～13号悬臂节段进行扣挂固定，其拱圈结构设计及悬臂现浇施工工艺在水利工程中都很少见。桥址位于洪家渡水库库尾的“V”字形深斜向河谷中，管桥进、出口岸均连接短隧洞和深竖井，施工场地狭窄，管桥的施工技术难度和安全风险都很高。

1.2地形地质条件

1.2.1 地形地貌

白甫河倒虹管跨河管桥进口岸为马场镇新迎村，出口岸为理化乡石板桥村，河谷顶宽约410 m，沟谷深约210 m，两岸为陡坡地形，进口岸坡约53.2°，出口岸岸坡约39.6°，局部为陡壁，岩层倾角变化较大，两岸地形地貌如图1所示。

1.2.2地质条件

白甫河跨河管桥进口岸从上至下地质情况如下：上部缓坡平台至1178 m高程为永宁镇组第三段（T1yn3）灰岩，1178 m高程至1139 m高程之间为永宁镇组第二段（T1yn2）泥岩、泥质白云岩，1139 m高程以下为永宁镇组第一段（T1yn1）灰岩。出口岸从上至下地质情况如下：上部缓坡平台至1210 m高程为永宁镇组第三段（T1yn3）灰岩，1210 m高程至1160 m高程为为永宁镇组第二段（T1yn2）泥岩、泥质白云岩，1160 m高程以下为永宁镇组第一段（T1yn1）灰岩。岩体强风化厚度泥质白云岩、泥岩为8.0～10.0 m，灰岩为3.0～5.0 m。白甫河跨河管桥两岸地质情况如图2所示。

2 锚碇结构方案

2.1 锚碇结构体系总体设计

依据两岸结构物分布及已开挖完成的坡面，选取了两种锚碇结构用于受力转换，以提供平衡拱圈悬臂节段的锚固力。出口岸有4个永久构筑物，通过计算，据此布置4组混合式锚碇结构就能够有效解决出口岸拱圈悬臂节段所需的锚固力，而进口岸仅有1个桩基承台及1个镇墩结构，如仅设置2组混合式锚碇结构则无法布置进口岸拱圈悬臂节段所需的全部锚索，因而需额外布置一组预应力锚碇结构作为补充。

根据现场的实际地形地质条件、两岸永久结构物的布置及通过反复计算得出的整体受力，将进口岸0～1号节段扣索扣挂于交界墩中部，锚索锚固于进口岸1号锚碇上;进口岸2～5号节段扣索扣挂于交界墩盖梁上部锚箱梁上，锚索锚固于进口岸2号锚碇上;6～13号节段扣索分别扣挂于钢扣塔的3层锚箱梁上，锚索锚固于进口岸3号锚碇上。白甫河进口岸锚碇布置如图3所示，进口岸锚碇结构的设计参数及工程量详见表1。

出口岸0～1号节段扣索扣挂于交界墩中部，锚索锚固于出口岸1号锚碇上;出口岸2～5号节段扣索扣挂于交界墩盖梁上部锚箱梁上，锚索锚固于出口岸2号锚碇上;6～10号节段扣索扣挂于钢扣塔第1，2层锚箱梁上，锚索锚固于出口岸3号锚碇上;11～13号节段扣索扣挂于钢扣塔第3层锚箱梁上，锚索锚固于出口岸4号锚碇上。白甫河出口岸锚碇布置如图4所示，出口岸錨碇结构的设计参数及工程量详见表2。

2.2 混合式锚碇结构设计

混合式锚碇结构常搭配两岸永久结构物进行施工，可以在利用永久结构物进行受力体系转换的同时充分利用结构物自重，既为拱圈悬臂浇筑节段提供了充足的锚固力，又可降低拱圈施工时的临时措施费，在白甫河管桥前期缆索吊实施中就已成功运用。在白甫河管桥拱圈锚固系统中，混合式锚碇结构为两岸的桩基及承台、镇墩等永久结构物结合预应力岩锚索束组成。在承台或者镇墩内部设置岩锚索束，通过张拉预应力岩锚索束，提前把承台或者镇墩锚固于岸坡上，拱圈施工时，锚索束通过承台预留孔锚固于承台或者镇墩上，利用岩锚索束的预应力再加上桩基承台或者镇墩自重来抵抗锚索束的拉拔力;以出口岸2号锚碇结构为例，详细设计如图5所示。

白甫河出口岸因永久结构物多，布置了4组混合式锚碇，在18，19，20号排架柱承台及5号镇墩处分别布置6，12，18束及20束岩锚索，岩锚索锁定于结构物前端上部，锚索锁定于结构物后端下部，通过结构物自身抗压强度完成受力体系转换，相关参数如表2所示。

2.3 新型预应力锚碇结构

2.3.1 结构设计

白甫河进口岸永久结构物较出口岸少，因进口岸2号锚碇无永久结构物可供直接利用，所以只能利用岩锚索束来提供拱圈悬臂节段所需的锚固力。根据现场实际地形地质条件，为便于后期拱圈施工时锚索束穿索以及岩锚索与锚索受力体系的转换，同时充分考虑其他混合式锚碇所起到的作用，经分析计算后，采用了一种适用于各类地形条件的轻便型锚碇结构。该锚碇结构由双榀工字钢组合而成，横向工字钢压梁及纵向工字钢锚梁构成“井字架”结构（详细参数如图6所示），压梁置于边坡外侧，锚梁置于边坡内侧，压梁与锚梁皆预留有孔，利用岩锚索束把最外侧的工字钢（压梁）锚固于边坡上，而外侧的工字钢（压梁）又把里面的工字钢（锚梁）紧压着，后期锚索束锚固于里面的锚梁上，这样可以保证多束岩锚索为一束锚索提供充足的锚固力，确保了结构整体稳定，进而保证拱圈的施工安全。

2.3.2 优点及施工工艺

白甫河进口岸2号锚碇采用的新型预应力锚碇结构具有以下优点：①通过该转换装置，可将多束岩锚索及锚索布置于一个或多个锚碇体内，能使多束岩锚索为单束锚索提供足够的锚固力，且此结构更加易于计算及控制;②通过岩锚索孔及锚箱的先行施工，便于转换结构的安装和调整，且安装精度易于控制;③转换装置的安装角度可随意调整，不受拱桥两侧山体坡度的影响，同时后期如需新增岩锚索和锚索也易于施工;④不同于一般锚碇体系需要通过结构物的抗压能力来转换受力，该锚碇体系主要通过工字钢自身的刚度来实现体系转换，因而可大大降低结构物的混凝土浇筑量，进而降低工程施工成本;⑤因实际施工时边坡都不平整，为调整扣锚索角度，以更好地实现体系转换效果，需浇筑一定工程量的贴坡混凝土，以使“井字架”锚碇结构尽可能安装在平整的结构面上;⑥拱圈施工完成后，可拆除锚碇转换装置，以实现二次利用，若有加固边坡要求，可仅拆除锚索，留下锚碇转换装置及岩锚索对山体边坡起到加固作用。在该工程中只拆除了锚索，留下锚碇转换装置及岩锚索达到对山体边坡进行加固的目的。

该锚碇结构制作相对简单，施工方法也易于掌握，具体施工工艺流程如下：①对岩锚索钻孔位置进行放样，按照设计钻孔角度分别钻进，清孔验收后将制好的岩锚索进行安装，留足张拉端长度，对锚固段进行灌浆，灌浆一定要密实;②加工制作压梁及锚梁，在相应位置设置好预留孔，按照锚梁在下压梁在上的顺序焊接成互相垂直的“井字架”;③吊装“井字架”至已搭设完成的钢管架上进行临时固定，安装时确保压梁在外侧、锚梁在内侧，且位置固定必须足够精确，以保证后续岩锚索及锚索能够顺利穿过;④每根岩锚索外露端穿过压梁上的预留孔，并用锚具进行临时固定，岩锚索处于边坡混凝土的部分用套管进行保护，套管用钢筋进行固定，以上工作完成后再浇筑边坡混凝土，混凝土澆筑过程中要安排专人负责检查“井字架”安装位置是否发生移动，同时要注意锚梁与边坡混凝土之间应预留足够的作业空间以供后期锚索施工;⑤边坡混凝土养护至设计要求强度后，在压梁上对岩锚索进行张拉锁定，彻底固定“井字架”，将压梁及锚梁紧紧锚在边坡混凝土上;⑥用锚具将锚索一端固定于锚梁上，再在扣塔上对称张拉一端固定于锚梁上的锚索和扣挂于拱圈悬臂节段上的扣索，完成受力体系转换。白甫河进口岸2号锚碇纵断面布置及施工情况如图7～9所示。

3 锚碇结构应用成果

在拱圈施工、锚索及扣索张拉过程中对结构物、钢扣塔、锚碇结构及拱圈变形均进行了实时监测，此外在拱圈合龙前的整个施工期还开展了日常监测。在拱圈悬臂现浇施工的整个过程中，钢扣塔顶部最大偏位为2.97 cm，出现在拱圈最大悬臂状态下即13号节段拱圈混凝土浇筑完成后，满足规范规定的最大偏位在5 cm范围以内的要求。钢扣塔底部最大应力为88.3 MPa，出现在钢扣塔最大偏位状态时，钢扣塔最大应力在其允许应力205 MPa以内。当悬臂现浇拱圈6号节段完成时，此时拱圈所受拉应力最大，出现在拱圈0号节段的上顶板位置，最大应力为1.51 MPa，小于混凝土最大允许拉应力1.9 MPa。锚碇结构最大位移偏位为2 mm，出现在出口岸3号锚碇位置，发生在出口岸拱圈10号节段张拉完成后，在后续拱圈悬臂现浇过程中，出口岸3号锚碇偏位又逐渐变为0。上述监测数据表明：管桥拱圈及锚碇结构状态正常，整个锚碇系统的安全性及合理性均得以验证，说明锚碇结构设计合理，施工质量良好，锚碇结构安全可靠。目前，白甫河高大跨管桥拱圈已安全顺利合龙，合龙时两侧拱圈高差仅相差5 mm，全桥拱圈线形也在设计预拱度线形±2 cm范围之内，满足规范要求。

4 结 语

（1）将管桥两岸永久结构物作为锚碇结构的一部分，可以充分利用结构物自重，在进行受力体系转换的同时还可以为拱圈悬臂浇筑节段提供充足的锚固力，且可以降低拱圈施工时锚碇系统的工程措施费，进而降低了工程施工成本，提高了工程项目的经济效益。

（2）通过采用一种适用于各类地形条件的轻便型预应力锚碇结构，实现了锚碇系统易于计算、施工方便、精度可控、结构稳定和减少锚碇结构混凝土工程量等诸多目的，在一定程度上还可以实现二次利用，实际应用的经济效益较好;同时还确保了锚碇结构及拱圈的施工安全、质量和进度，对类似工程的锚碇结构设计及施工具有指导意义。

参考文献：

[1] 尹洪明， 李小东， 郭军. 大跨度钢筋混凝土拱桥斜拉扣挂法悬臂浇筑施工关键技术[J].  施工技术， 2016， 45（4）：127-132.

[2] 付位勇.“V”型沟谷大跨度拱桥斜拉扣挂悬臂浇筑综合施工技术[J].  建筑工程技术与设计，2018（7）：532-533.

[3] 于華. 拱桥斜拉扣挂悬臂浇筑施工关键技术[J]. 低碳世界，2020，10（5）：123-125.

[4] 陈裕波，朱良清，吴榜林. 预应力锚索梁在悬索吊装系统中的设计应用[J]. 四川建筑科学研究，2016，42（2）：133-136.

[5] 刘斌洲.  预应力锚索在绰斯甲河大桥左岸主锚碇结构中的应用[J].  四川水利， 2013， 34（6）：32-34.

[6] 倪红. 盐边鳡鱼大桥岩锚锚碇施工技术[J]. 低碳世界， 2014（9）：273-275.

[7] 周军伟. 西江特大桥锚碇施工技术[J]. 科技与生活， 2011（6）：171-172.

[8] 刘秀敏，陈从新，肖国峰，等.  西江特大桥岩锚锚碇的承载特性研究[J].  岩土力学， 2013（1）：196-203.

[9] 王令侠.  新建南广铁路西江特大桥临时锚碇设计与施工[J].  科技创新与应用， 2014（9）：191-192.

[10] 胡腾飞.  澜沧江特大桥70t缆索吊机预应力岩锚设计[J].  桥梁检测与加固， 2011（1）：26-29.

[11] 李晓明. 万州长江二桥主缆锚固及连接系统设计[J]. 甘肃科技，2009， 25（10）： 100-102.

[12] 周外男.  云南小湾大桥缆索吊机后锚碇设计[J].  桥梁建设， 2002（6）：39-42.

（编辑：江 文）

Design and application of arch ring anchorage structure of Baifu river-crossing high and large span pipe bridge of Jiayan water conservancy project

REN Mingwu1，XU Qingsong2，TAN Jiuyue2

（1. Guizhou Water Conservancy Investment （Group） Co.， Ltd.， Guiyang 520001，China;   2. China Gezhouba Group Road & Bridge Engineering Co.， Ltd.， Yichang  443002， China）

Abstract： In the arch ring construction of Baifu river-crossing high and large span pipe bridge of Jiayan water conservancy project， in order to provide sufficient anchoring force for cantilever casting segment of arch ring and reduce construction cost， according to the arrangement of the pile foundation and anchor block on both sides of the river and considering the actual terrain and geological conditions of the construction site， hybrid anchorage structure and new prestressed anchorage structure were adopted. At present the arch ring of pipe bridge has been closed safely and smoothly， the monitoring data during construction showed that the anchorage structure and arch ring of pipe bridge were in normal condition， showing that the design of hybrid anchorage structure and new prestressed anchorage structure was reasonable， the construction quality was good， and the structure was safe and reliable， which ensured the construction safety， progress and quality of the arch.

Key words： hybrid anchorage structure; prestressed anchorage structure; high and large span pipe bridge; arch ring