霸王河渡槽替代工程设计方案探讨

2023-09-12刘子翔

陕西水利 2023年9期

刘子翔，田欣

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西西安 710001）

1 工程概况

石头河水库灌区位于关中西部,灌溉宝鸡市岐山、眉县两县11个乡镇,总人口32.44万人,控制灌溉面积37万亩,有效灌溉面积29万亩。霸王河渡槽位于灌区东干渠第二级渠道,是东干渠上的重点跨河建筑物之一和重要咽喉要道。霸王河渡槽工程位于陕西省眉县境内,渡槽全长1566.32 m,高18 m,始建于1981年,1986年建成通水。渡槽为预制安装的等截面悬链线混凝土双曲拱,矩形槽箱结构,由35跨和两边各有一个半跨组成,最大净跨39.7 m,槽身净宽2.8 m,净深2.2 m,输水设计流量8.0 m3/s,加大流量10.0 m3/s,比降1/1000,其控制着灌区下游16万亩的农田灌溉面积。

2 问题的提出

霸王河渡槽投入运行37年来,老化破损较普遍,槽壁、底板冲蚀破坏,出现大量蜂窝、麻面、伸缩缝老化,局部渗漏严重；内壁局部出现表面明显裂缝；混凝土碳化、局部风蚀较严重；保护层脱落,钢筋锈蚀、糙率增大,达不到设计过流能力。2020年6月对霸王河渡槽进行安全鉴定工作,《安全鉴定评价报告》对霸王河渡槽现场安全检测质量评定及工程复核计算分级评价均为C级,霸王河渡槽工程安全类别为“四类渡槽”。渡槽目前承担着西安、咸阳、杨凌等大中城市供水和灌区农业灌溉的双重任务,且是咸阳、杨凌供水的唯一地表水源,供水保证率更是要求高达95%以上,其重要性尤为突出。由于渡槽常年行水运行,无法进行检修维护,一旦出险,整个供水工程将瘫痪,导致农业灌溉和城市供水中断,因此进行霸王河渡槽替代工程的设计研究是十分必要的。根据现状渡槽实际情况并结合地形地质条件,新建替代工程采用渡槽方案和倒虹方案进行比选。

3 渡槽方案比选

新建渡槽各比选方案轴线相同,位于原渡槽北侧,与原渡槽轴线相距50 m。总长度1579.246 m,在起末点分别布置进、出水闸,与原渡槽上下游连接段进行连接。渡槽上游连接段长10.532 m（其中进水闸长4 m）,槽身段长1558.182 m,渡槽段比降为1/1000。下游连接段长10.532 m（其中出水闸长4 m）。渡槽下部支撑结构型式从经济、美观、施工方便等方面考虑,本次进行了重力墩预应力槽箱、重力墩预应力T梁、拱式方案的比较。

3.1 重力墩预应力槽箱简支方案

（1）槽箱布置

渡槽上部型式采用C50预应力简支梁式槽身,槽箱断面为箱型结构,断面尺寸3.0 m×2.3 m（宽×高）,槽箱底板、侧墙、顶板厚度分别为0.4 m、0.3 m、0.25 m,底部贴角0.3 m×0.15 m,顶部贴角0.5 m×0.2 m。槽箱横断面见图1。

图1 预应力槽箱横断面

（2）重力墩布置

渡槽跨度较大,下部支撑结构采用钢筋砼实体重力墩型式,重力墩高度9.9 m～23.9 m,采用现浇C30钢筋砼结构型式,经计算,1#～40#（8#、16#、24#、32#除外）重力墩顶部断面尺寸为2.24 m×4.14 m（纵向×横向）,侧面均以40∶1的坡度向下放坡。墩顶部平台厚0.8 m,平面尺寸6.74 m×2.64 m（横向×纵向）。每个墩顶平台上放置4块橡胶支座,平台两侧布置防震挡块。根据《灌溉与排水工程设计标准》,多跨简支式渡槽每隔7跨～10跨应设置一个加强墩,本次设计8#、16#、24#、32#为加强墩,断面尺寸为顶部2.24 m×4.14 m（纵向×横向）,侧面以10∶1的坡度向下放坡。

重力墩下基础采用刚性承台,尺寸为9.6 m×6.0 m×2.0 m（横向×纵向×厚）,加强墩承台尺寸9.6 m×7.0 m×2.0 m,基础下布设钢筋砼灌注桩,桩径1.2 m,桩长12.0 m,间排距3.6 m。

3.2 重力墩预应力T梁简支方案

重力墩布置间距、型式同重力墩预应力槽箱简支方案,重力墩上布置预应力T梁,T梁上放置普通钢筋砼槽箱。

（1）槽箱布置

槽箱采用C30现浇钢筋砼箱型结构,直接放置于T梁上,槽箱本身结构不受力,仅作为输水通道。槽箱分段长度10 m,断面尺寸3.0 m×2.3 m（宽×高）,底板厚度0.3m,侧墙及顶板厚度0.25 m。

（2）T梁布置

T梁采用C50预应力钢筋砼结构,支撑于重力墩上,作为纵向受力结构,T梁跨度42 m,高度2.5 m,肋板厚0.2 m,翼缘宽度2.25 m,厚0.16 m,肋板下部加厚部位厚度为0.6 m,高度0.35 m。T梁断面见图2。

图2 预应力T梁断面图

（3）重力墩布置

重力墩高度7.4 m～21.4 m,采用现浇C30钢筋砼结构型式,重力墩和下部基础体型尺寸同上述重力墩预应力槽箱简支方案。

3.3 拱式方案

拱式方案下部支撑结构拱圈采用肋拱,跨度布置为45.5 m,拱圈下部支撑墩采用实心重力墩型式,拱圈上布置排架支撑槽箱,排架间距6.5 m,槽箱采用普通简支梁式槽箱,上下游副跨段布置型式同重力墩简支方案。

（1）槽箱布置

新建拱式渡槽上部型式采用简支梁式槽身,每拱跨上布置7小跨,每跨6.5 m,对称布置,槽箱采用现浇C30钢筋砼箱型结构,断面尺寸3.0 m×2.3 m（宽×高）,底板厚度0.3 m,侧墙及顶板厚度0.25 m,底板、顶板与侧墙连接处加贴角,尺寸0.2 m×0.2 m。上下游各3 跨采用C50 预应力钢筋砼槽箱（断面型式同重力墩预应力槽箱方案）。拱圈上槽箱横断面见图3。

图3 拱圈上槽箱横断面

图4 倒虹方案横断面图（过滩地段）

（2）渡槽下部支承设计

渡槽下部支承结构主跨支撑形式为排架式肋拱结构,副跨布置为重力墩简支型式。渡槽共布置36个支撑重力墩,其中拱墩中墩为30个,边墩为2个,上下游副跨重力墩4个（型式同重力墩简支方案）。拱上排架间距6.5 m,对称布置。

拱上排架高度2.86 m～9.13 m,采用现浇C30钢筋砼结构型式,排架采用两根立柱中间每隔3 m用拉杆连接,立柱断面尺寸为0.4 m×0.6 m,排架拉杆断面尺寸为0.35 m×0.5 m。排架顶部平台厚0.5 m,平面尺寸4.4 m×1.2 m（横向×纵向）。每个排架顶部平台上放置4块橡胶支座,平台两侧布置防震挡块。

渡槽各方案综合比较见表1。

表1 渡槽各方案比较表

从表1可以看出,各方案技术上均是可行的,各有优缺点。（1）施工工艺：重力墩预应力槽箱和预应力T梁方案仅槽箱或T梁采用预应力法施工,而拱式方案不但拱圈采用预应力施工,上下游两端槽身也采用预应力法施工,拱圈对施工工艺要求非常严格,施工难度大,从施工工艺来说重力墩简支方案施工相对简单,拱式方案工艺复杂,施工难度大。（2）基础处理：重力墩简支方案对基础要求较拱式方案低,基础处理相对简单。（3）施工工期：重力墩简支方案施工工期短,较拱式方案节省工期。（4）美观性：拱式方案相对较为美观,和景区内其它景点相协调。（5）工程投资：两种重力墩简支方案较拱式方案分别多952.86万元、1663.88万元。

综合分析比较,在重力墩方案和拱式方案中推荐采用重力墩方案。对重力墩方案进一步比较得知,预应力T梁方案较预应力槽箱方案工程量更大,工期更长,工程投资多711.02万元,因此在重力墩渡槽型式比较中推荐重力墩预应力槽箱简支方案。

4 倒虹方案

（1）工程布置

新建倒虹设计流量8 m3/s,加大流量10 m3/s,全长1600.188 m。采用2根DN2200 地埋式预应力钢筒砼管和钢塑复合管（主河槽段）,其中预应力钢筒砼管道长度1415.40 m,钢塑复合管长度120 m。管中心间距为3.6 m,平面布置呈西北向东南走向,由进口段、管道段、出口段、镇墩、阀井等部分组成。进出口设置平面弯道,中间段呈直线布置。

营头隧洞出口连接处设置倒虹进口段,倒虹轴线与原渠道轴线相交于桩号DH0+000.000,进口段由4.233 m长原渠道拆除恢复段、6.032 m长引渠段、5.5 m长闸室段、10 m长陡坡渐变段和6 m长进水池组成,池后接管身段。管身基本顺现状地面铺设,平坦段最小埋深不小于2 m,根据冲刷计算结果,主河槽段控制埋深不小于5.2 m。进水池后,倒虹向下斜穿西岸滩地,至主河槽处稍向下穿越主河槽、其后向上斜穿东岸滩地至小沟道,过沟后向上斜穿东岸滩地与出水池衔接。出水池长6 m,后接10 m长陡坡渐变段、4 m长闸室段和6.532 m长出口引渠段,4.986 m长原渠道拆除恢复段,倒虹轴线与原渠道轴线相交于桩号DH1+590.969,后与法牛塬隧洞进口衔接。

（2）管身横断面设计

过滩地段管身基础采用0.5 m厚碎石垫层,0.25 m厚粗砂垫层；主河槽段钢塑复合管采用外包砼型式,基础采用0.6 m厚碎石垫层,0.15 m厚C20砼垫层。开挖深度大于6 m时,每6 m设置戗台,左侧戗台宽度2.0 m,右侧戗台宽度4.0 m。管道周围及管顶以上1.0 m范围内回填土夹石要求人工夯实,其余回填采用机械回填压实。

5 方案比较

对东干渠过霸王河的渡槽跨越方案和倒虹穿越方案进行工程布置、地质条件及基础处理、施工条件及工期、工程占地、工程投资等方面综合比较分析,见表2。

表2 渡槽、倒虹方案综合比较表

经综合比较分析,两方案均不存在重大制约因素,从工程布置、施工条件看,两方案各有优缺点,相比而言,倒虹方案采用双管布置,具有输水灵活性高,单管出事后,另一根管道可以满足事故工况下过70%流量的要求,投资较低、工期较短、永久占地较小的优点,缺点是施工期需要修建两期导流围堰,施工导流工程量大、费用高,倒虹管埋于地下,事故隐患点不易发现,事故检修时,需要采用临时抽水泵站抽排后,方能检修,相对运行管理不便；渡槽方案优点是施工导流费用小、检修时不需要配置临时泵站抽排,主体建筑物位于地面以上,相对运行、检修、管理方便,缺点是事故检修时需要全线停水,与东干渠长年不能停水的要求相违背,永久占地较大,且投资较高。基于两方案以上优缺点分析,尤其是从永久占地方面比较,倒虹方案仅进出口、镇墩、阀井局部有永久占地,而渡槽沿线呈条带状永久占地面积较大,倒虹方案少占永久占地4.63亩,《中华人民共和国土地管理法》中规定,国家保护耕地,严格控制耕地转为非耕地,本工程应尽可能少占耕地,减小征地难度,综合从工程投资、施工工期、工程占地等方面分析比较,推荐采用倒虹方案。