海城市下坎灌区渡槽改造工程设计及计算

孙丽玲

(朝阳市农村水利建设管理局，辽宁 朝阳 122000)

1 渡槽工程现状

下坎排灌站位于海城市西北部，地理位置E122°1′-E123°08′，N40°29′-N41°11′，灌区属于辽河平原南部，灌溉面积0.121 3×104hm2。渡槽位于下坎子排灌站灌溉渠道跨越排水干沟处，整个输水工程主体部分建于1976年，经过几十年运行，渡槽结构老化。通过辽宁省水利水电工程质量检测中心检测的检测结果可知，渡槽槽身两侧边墙表面剥蚀严重，拉梁及拉梁与边墙连接处破损更为严重，行人通过位于拉梁上的人行板时，存在较大安全隐患，渡槽槽身的机构强度已经达不到设计标准；渡槽排架及排架间受力纵梁虽然存在表面剥蚀，但内部结构完好，由检测数据可知槽墩及底梁的混凝土抗压强度检测值分别为23.5和24.4 MPa，可满足强度要求。故本次采用保留渡槽支撑排架系统及纵梁结构、槽身重建的方案，渡槽槽身采用矩形钢筋混凝土结构。

工程主体由进出水口、槽身、槽墩等组成，槽身及槽墩为钢筋混凝土结构。渡槽支撑结构为排架柱形式，支撑间距纵向为10 m，横向间距2 m，顶部为典型牛腿结构形式。支撑排架柱的纵向有纵梁连接，纵梁宽度0.3 m，高度0.5 m，与下部支撑排架固定连接。现状渡槽的槽身为矩形钢筋混凝土结构，净宽度4 m，高度2.2 m，分为4跨；渡槽顶部有拉杆，间距2 m，人行桥板铺设于拉杆之间。

渡槽进出口开挖范围内，上部为淤泥粉质黏土，厚度约0.5 m，黑～褐色，软塑、湿、中密、有光泽，底部含少量粉砂；下部为粉土含砂，深灰～浅灰色，含云母屑0.25～0.075 m颗粒86%，松散，夹有薄层状粉质黏土，层厚1.40～5.50 m。该层为导流墙结构的基础承载层，相应地基承载能力可达到130 kPa。经工程地质评价，该位置地层较明确，未见夹层，每层土的物理力学指标给定，无液化土层，属中软场地，适宜工程建设需要。

渡槽过水流量按照正常灌溉时间为9天的情况下为1.87 m3/s，但经过现场调研及相关负责人介绍，该渡槽所控制的下游排灌水田，经常发生在灌溉高峰期争抢水源的情况，渡槽下游两侧的闸门会同时开启进行排灌，缩短了灌溉时间。综合以上情况考虑，为保证灌区春季灌溉需要，将该渡槽控制面积的灌水时间控制为4～5 d，相应设计流量增加至3.74 m3/s，此时加大流量为4.86 m3/s。根据过水流量，属于5级建筑物，共4跨，单跨10 m。

2 渡槽水力计算

槽身水力计算采用明渠均匀流公式：

Q=AR2/3i1/2/n

式中：Q为设计流量，m3/s；A为槽身过水断面面积，m2；R为水力半径，m；n为糙率系数，混凝土槽身一般采用n=0.013～0.014。i为槽身纵坡，i=1/2 000。

1) 渡槽进口流态与淹没的开敞式水闸相似，一般按淹没式宽顶堰流量公式计算进口水面降落值：

式中：Z1为进口水面降落，m；ε为侧收缩系数，一般可采用0.95；φ为流速系数，一般可采用0.95；V1为上游渠道流速，m/s；g为重力加速度。

2) 出口水面回升Z2值一般根据进口水面降落按下式计算：

3) 槽身沿程损失Z3计算：

Z3=iL

式中：i为槽身纵坡；L为槽身长度。

4) 槽身进出口总水头损失ΔZ按下式计算：

ΔZ=Z1-Z2+Z3

如前所述，渡槽过水流量3.74 m3/s，加大流量4.862 m3/s，通过明渠均匀流公式，试算不同水深及净宽情况下的试算流量结果。当试算流量结果与加大流量较为相近时，则此试算水深即为渡槽加大流量时水深H。同理，可得出设计流量下渡槽水深h。

初选渡槽净宽为4 m，即过流宽度B=4 m，经试算，加大流量下水深为1.01 m，设计流量下水深为0.83 m。考虑渡槽过流能力及渡槽结构稳定，最终选用渡槽净宽4 m，净高1.8 m。

初步估算渡槽底板厚度、侧墙厚度均为20 cm，渡槽外形尺寸宽为4.4 m，总高为2.2 m，渡槽内顶部布设混凝土拉杆，上面铺筑人行板交通桥。

3 槽身结构计算及配筋

3.1 槽身剖面形式及尺寸拟定

参考已建工程，渡槽长40 m，每跨长度选定10 m，共4跨，支撑结构选取排架形式，每节槽身由两个排架支撑，故等同于简支梁结构进行计算。

本次设计选择矩形渡槽断面，渡槽无通航要求。为改善横向受力条件槽顶设置拉杆，每隔2 m设置一根拉杆。侧墙厚度根据经验公式t/H=1/12～1/16，取侧墙厚度t=15 cm，侧墙高为2 m，底板地面高于侧墙底缘，以减少底板的拉应力，底板厚度为20 cm，侧墙和底板的连接处加设贴角，贴角角度为45°。

根据所设计渡槽为5级建筑物，确定渡槽槽身所用混凝土为C25混凝土，所用钢筋为Ⅱ级。

根据前面计算结果，槽内净宽B=4 m，高H=1.8 m(拉杆0.2 m)，拉杆断面尺寸为高×宽=20 cm×20 cm。具体结构尺寸见图1。

图1 槽身横断面图(单位：mm)

3.2 纵向结构计算及配筋计算

简支式梁式槽身，其两端支承在支承刚架的顶端，在承受纵向荷载时可视为一个简支梁，为一静定结构，计算简便。槽身在纵向承受荷载有槽身自重、水重及人行荷载3项。取单位长度槽身计算荷载，三者均为均布荷载。

经计算，槽身自重设计值g=45.25×1.05=47.51 kN/m

加大水深时水重设计值G=40.4×1.05=42.42 kN/m

人群荷载设计值q人=1.2×3=3.6 kN/m

纵向结构计算可将矩形槽身截面概化为工字形，侧墙厚度之和即为腹板厚度，b=2×0.15=0.3 m；槽身底板构成工字梁的下翼缘(由于简支梁槽身底板处于受拉区，故在强度计算中不考虑底板的作用，但在抗裂验算中加以考虑)；考虑到侧墙顶部和人行道宽度扩大较小，可近似的将侧墙看作矩形截面，故计算简图可简化为2.2×0.3的矩形截面。

作用在渡槽上的最大分布荷载为：

q=g自重+G水+q人=47.51+42.42+3.6=93.53 kN/m

跨中最大弯矩：

M=qL2/8=93.53×102/8=1 169.13 kN·m

支座剪力设计值：

Qmax=qL/2=93.563×10/2=476.65 kN

通过所求内力值分别进行正截面配筋计算、斜截面抗剪计算，以及槽身纵向抗裂验算。

跨中正截面验算时，有拉杆槽身的侧墙顶肋截面积甚小，故在强度计算时其可忽略。则将原截面的两个侧墙合并为一梁肋，底板视为一翼缘，形成一个倒T形截面梁。因翼缘在受拉区，故可按矩形截面计算。见图2。

图2 倒T形截面梁

经计算，As=2 123.72。其中：

放在侧墙低端：75%×2 123.72=1 592.79 mm2,选取8φ18(As=2 036 mm2)

放在底板部位，还可兼作底板分布筋：

25%×2 123.72=530.93 mm2,8φ12(As=904 mm2)

斜面抗剪计算中，混凝土截面受剪承载力：

Vc=0.07fcbh0=0.07×12.5×300×2 130=559.13 kN>γdV=1.15×476.65=548.15 kN

因此，按构造要求配筋即可。

槽身抗裂验算，按倒T形梁进行计算，受弯构件正截面在即将开裂的瞬间，受拉区边缘的应变达到混凝土的极限拉伸值εmax，最大拉应力达到混凝土轴心抗拉强度ft。钢筋混凝土构件的抗裂验算公式如下：

Ms≤γmαctftkW0

Ms=2 123.72 kN·m≤γmαctftkW0=1.55×0.85×1.75×9.91×108=2 289.87 kN·m

综合上述计算可知，槽身纵向符合抗裂要求。

3.3 槽身横向内力计算及配筋计算

3.3.1 人行板配筋(按受弯构件配筋)

选用5φ12,As=565 mm2，实际配筋率为：

3.3.2 拉杆内力计算及配筋

由于在设计中选用有拉杆的矩形槽，所以横向计算时沿槽长取1 m间距长度上的槽身进行分析。横向计算时，近似认为设置拉杆断面槽身的横向内力与不设拉杆处相差不多，因此将拉杆均匀化。为了简化计算，认为所有的荷载均匀分布在槽壁和底板厚度的中心线上(偏于安全)，并且槽身对称可取一半计算，该结构为一次超静定结构，不计轴力及剪力对变位的影响，用力法求解X1。

经计算，由于拉杆所受拉力很小，但考虑其上人行板及人行荷载，所以配置6φ12(As=678 mm2)箍筋φ8@300

3.3.3 底板的内力计算及配筋

离侧墙中心线X处的底板弯距计算，为底板荷载计算：

3.3.4 侧墙内力计算及配筋

经计算，外侧不需要配筋，但需要配置构造钢筋：

内侧配筋为：

选配φ10@200，As=393 mm2

渡槽具体配筋情况详见表1。

表1 槽身钢筋数量表

4 渡槽及其地基稳定性验算

4.1 槽身的整体稳定性验算

位于大风区的渡槽，轻型壳体槽身可能被风荷掀下来，因此需验算槽身的整体稳定性。最不利荷载见图3，槽中无水，槽身竖向荷载仅有渡槽自重N2，水平向荷载为风荷P1，设支承面的摩擦系数为f取0.3，绕背风向支点转动的倾覆力矩为Mp1，抗倾覆力矩为MN2，具体计算如下

图3 渡槽及其地基稳定计算图

槽身的整体稳定性验算包括抗滑稳定验算及抗倾覆稳定验算。

抗滑稳定验算。已知渡槽自重N2=475.1 kN，经计算槽身水平风荷载为P1=13.2 kN，抗滑稳定安全系数：

故槽身抗滑稳定符合要求。

抗倾覆稳定验算。抗倾覆稳定安全系数为：

故槽身抗倾覆稳定符合要求。

4.2 渡槽抗滑稳定验算

位于河槽中的槽墩(架)及其基础，当水深及流速较大且地基抗滑力较小时，在水平荷载∑P的作用下，可能沿基础底面产生水平滑动。抗滑稳定系数：

故渡槽抗滑稳定符合要求。

式中：f为基础底面与地基之间的摩擦系数；∑N、∑P为所有铅直力、水平力的总和；KC为抗滑稳定安全系数。

计算条件：当∑N小时，对抗滑稳定是不利条件，故计算槽中无水情况。即∑N中不包括槽中水重N1，此时∑N=1 475 kN。

4.3 渡槽抗倾覆稳定验算

基础底面抗倾覆稳定的不利条件与基础底面的抗滑稳定的不利条件是一致的，所以抗倾覆稳定验算的计算条件及荷载组合与抗滑稳定性验算计算的不利条件及荷载组合相同。

4.4 基底压应力验算

验算设计的基础宽度及埋置深度与荷载所产生的基底压应力，能否与地基的承载能力相适应。如果基底压应力σ超过地基的允许承载力[σ]，则渡槽就可能失稳破坏；反之则可能发挥地基的承载力不够，增加不必要的工程量。位于河槽中的槽墩(架)及其基础，当水深及流速较大且地基抗滑力较小时，在水平荷载∑P的作用下，可能沿基础底面产生水平滑动。

假定基底压应力(即地基反力)呈直线变化，不考虑地基的嵌固作用时，由偏心受压公式可得基底边缘应力为：

式中：A为基础底面积；Wya、Wxa为相应于最大应力σmax基底边缘的截面抵抗矩(Wya=Iy/la，Wxa=Ix/la，Iy、Ix为基底面对重心轴Y—Y、X—X的截面惯性矩)；Wyi、Wxi为相应于最小应力σmin基底边缘的截面抵抗矩(Wyi=Iy/li、Wxi=Ix/li)。

计算如下：

横槽向：∑N=1 475 kN，∑My=152 kN·m

顺槽向：∑N=1 475 kN，∑Mx=0

5 细部构造

5.1 新建槽身与原槽墩衔接布置

本次渡槽重建，新建渡槽槽身放置在原渡槽槽墩之上。由辽宁省水科院的质检报告可知，现状渡槽的支墩及墩顶横梁表层破损、钢筋外露。在本次规划设计中，考虑到支墩强度、横梁强度均超过20 MPa，故未拆除渡槽的支撑结构，但必须对其表层混凝土的碳化问题以及钢筋的锈蚀问题进行处理。借鉴以往工程经验，对现状渡槽槽墩及纵梁进行表面凿毛，清除表层厚度5～10 cm，待露出新鲜混凝土毛面和钢筋骨架后，将8#线铁丝网焊接与现状外漏钢筋骨架之间，再对新钢筋骨架实施二期混凝土衬砌，衬砌混凝土厚度定为10 cm。衬砌后的混凝土表面与原桥墩或纵梁的钢骨架具有较好的连接性，对结构起到较好的保护作用。

5.2 伸缩缝止水

梁式渡槽在每节槽身的接头处必须设置伸缩缝，以适应槽身混凝土收缩及温度变化引起的的伸缩变形。伸缩缝内设止水带和填料。本次渡槽设计选用沥青木板分缝，使用橡胶止水。

6 结 语

通过对下坎灌区渡槽工程的改造，不仅提高了周边村民的收入水平，保障了当地粮食丰收和粮食安全，同时使得当地的经济效益和社会效益得到良好改善，希望能为类似项目提供参考与借鉴。